[論文レビュー] Star-planet interactions: II. Is planet engulfment the origin of fast rotating red giants?

Giovanni Privitera, G. Meynet+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、赤色巨星における観測された高速表面回転を、惑星が巨星に飲み込まれることで説明できるかどうかを調査している。回転する星のモデルに潮汐相互作用、角運動量輸送、飲み込み後のダイナミクスを組み込み、著者らは惑星の摂取が星の表面を観測された速度（最大8 km s⁻¹）までスピンアップさせられることを示した。これは赤色巨星分岐の30％以上にわたる期間にわたって成立し、このような相互作用の最も明確な観測的兆候として回転加速が浮き彫りになる。

ABSTRACT

Context. Fast rotating red giants in the upper part of the red giant branch have surface velocities that cannot be explained by single star evolution. Aims. We check whether tides between a star and a planet followed by planet engulfment can indeed accelerate the surface rotation of red giants for a sufficient long time in order to produce these fast rotating red giants. Methods. Using rotating stellar models, accounting for the redistribution of the angular momentum inside the star by different transport mechanisms, for the exchanges of angular momentum between the planet orbit and the star before the engulfment and for the deposition of angular momentum inside the star at the engulfment, we study how the surface rotation velocity at the stellar surface evolves. Results. We show that the surface velocities reached at the end of the orbital decay due to tidal forces and planet engulfment can be similar to values observed for fast rotating red giants. This surface velocity then decreases when the star evolves along the red giant branch but at a sufficiently slow pace for allowing stars to be detected with such a high velocity. More quantitatively, star-planet interaction can produce a rapid acceleration of the surface of the star, above values equal to 8 km s$^{-1}$, for periods lasting up to more than 30% the red giant branch phase. The changes of the surface carbon isotopic ratios produced by the dilution of the planetary material into the convective envelope is quite modest. Much more important might be the increase of the lithium abundance due to this effect. However lithium may be affected by many different, still uncertain, processes. Conclusions. The acceleration of the stellar surface to rotation velocities above limits that depend on the surface gravity does appear at the moment as the clearest signature of a star-planet interaction.[abridged]

研究の動機と目的

• 惑星の飲み込みが、一部の赤色巨星で観測された高い表面回転速度を生じさせられるかどうかを特定すること。
• このような高速回転が飲み込み後にどのくらいの期間続くかを定量化すること。
• 表面速度の上昇が、内部混合や他の観測可能な兆候を引き起こす可能性があるかどうかを評価すること。
• 潮汐的減衰と飲み込みの過程で、惑星の軌道から星の内部への角運動量移動が果たす役割を評価すること。

提案手法

• 星の進化モデルは、回転および角運動量輸送メカニズムを組み込んだGeneva星の進化コードを用いて計算された。
• 潮汐力および軌道減衰は、星および惑星の質量変化、摩擦的および重力的抵抗、潮汐結合を含めてモデル化された。
• 軌道減衰段階において、惑星の軌道と星の内部との間の角運動量交換が計算された。
• 飲み込み段階で、惑星の角運動量が星の包層にどのように蓄積されるかを、詳細な輸送モデルを用いてシミュレートした。
• 星の質量は1.5から2.5 M⊙、惑星の質量は1から15 MJ、初期軌道距離は0.5から1.5 AUの範囲で、金属量Z = 0.02とした。
• 表面回転速度、高速回転の持続期間、飲み込み後の進化を追跡するための進化軌道が計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星の飲み込みが、高速回転赤色巨星の観測値と整合する表面回転速度を生じさせられるか？
• RQ2 飲み込み後に高速回転がどのくらいの期間続くか？
• RQ3 潮汐的減衰および飲み込みの過程で角運動量移動が星の回転プロファイルに顕著に影響を与えるか？
• RQ4 表面速度の上昇が内部混合や他の検出可能な変化を引き起こすか？
• RQ5 高速回転以外に、リチウムや炭素同位体の変化といった他の観測的兆候があるか？

主な発見

• 惑星の飲み込みは、赤色巨星の表面回転速度を8 km s⁻¹を超えるまで加速させられ、高速回転赤色巨星の観測値と一致する。
• 高速表面回転の期間は、赤色巨星分岐段階の30％以上にわたるため、高い回転速度を持つ星は検出可能である。
• 表面速度の上昇は軌道減衰および飲み込みの過程で急激に起こり、惑星が星に近づく際に最も顕著なスピンアップが発生する。
• 惑星物質の希釈によるリチウム濃度の上昇は、潜在的な兆候であるが、相反するプロセスの影響で不確実である。
• 表面の炭素同位体比の変化は小さすぎて、惑星の飲み込みを信頼性高く診断するための有効な指標とはならない。
• 表面回転速度は、赤色巨星進化の顕著な割合にわたり、観測可能なほど高いまま維持されるため、星-惑星相互作用の最も明確な観測的兆候であることが裏付けられる。