[論文レビュー] The Evolution of Binaries under the Influence of Radiation-Driven Winds from a Stellar Companion

Sophie L. Schrøder, Morgan MacLeod+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、質量の大きな星の同伴星からの放射力駆動風が連星系の軌道的進化に与える影響を、3次元流体力学的シミュレーションを用いて調査する。風の速度と質量比が支配的要因であることが判明した。風速度と軌道速度の比が低く、質量比が高い場合には、強い角運動量損失と軌道収縮が生じるが、広い軌道をとる軽い同伴星では軌道拡張が生じる。風速度と質量比に基づく単純な解析的式が、Vela X-1 や Cygnus X-1 といった高質量X線連星のシミュレーションを用いて妥当性が確認され、軌道的進化を正確に予測できる。

ABSTRACT

Interacting binaries are of general interest as laboratories for investigating the physics of accretion, which gives rise to the bulk of high-energy radiation in the Galaxy. They allow us to probe stellar evolution processes that cannot be studied in single stars. Understanding the orbital evolution of binaries is essential in order to model the formation of compact binaries. Here we focus our attention on studying orbital evolution driven by angular momentum loss through stellar winds in massive binaries. We run a suite of hydrodynamical simulations of binary stars hosting one mass losing star with varying wind velocity, mass ratio, wind velocity profile and adiabatic index, and compare our results to analytic estimates for drag and angular momentum loss. We find that, at leading order, orbital evolution is determined by the wind velocity and the binary mass ratio. Small ratios of wind to orbital velocities and large accreting companion masses result in high angular momentum loss and a shrinking of the orbit. For wider binaries and binaries hosting lighter mass-capturing companions, the wind mass-loss becomes more symmetric, which results in a widening of the orbit. We present a simple analytic formula that can accurately account for angular momentum losses and changes in the orbit, which depends on the wind velocity and mass ratio. As an example of our formalism, we compare the effects of tides and winds in driving the orbital evolution of high mass X-ray binaries, focusing on Vela X-1 and Cygnus X-1 as examples.

研究の動機と目的

• 放射力駆動風が質量の大きな星の同伴星から発生する際、それが連星系の軌道的進化に与える影響を理解すること。
• 角運動量損失を支配する主要な物理的パラメータ（風速度、質量比、風のプロファイルなど）を特定すること。
• 風誘発ドラッグによる軌道的進化を予測するための単純な解析的式の開発と検証すること。
• Vela X-1 および Cygnus X-1 を事例として、高質量X線連星の進化に及ぼす風の効果と潮汐力の相対的寄与を比較すること。

提案手法

• 計算の可塑性を高めるために、β = 0.5 のβ則風プロファイルを用いた、片方が質量損失を示す星とコンパクトな同伴星を有する連星系の3次元流体力学的シミュレーションを実施する。
• 風の最終速度、連星分離距離における風速度、質量比（q）、断熱指数（γ_ad）を変化させ、角運動量損失の主因を特定する。
• 数値的特異点を回避し、解像度を制御するため、重力ソフトニングと適応メッシュ細分化（AMR）を用いる。
• ドラッグ効率パラメータ γ_drag を用いて、ドラッグ力と角運動量損失を測定する。γ_drag は、運動量移動量と風の運動量フラックスの比から導出される。
• シミュレーション結果を風ドラッグおよびトルクの解析的推定値と比較し、特に風速度と質量比に依存する依存関係に注目する。
• Vela X-1 や Cygnus X-1 を含む観測された高質量X線連星と比較することで、モデルの妥当性を検証し、風駆動進化と潮汐効果の相対的重要性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風速度が軌道速度に対してどのように相対的に変化するかが、質量連星における軌道収縮または拡張に与える影響は何か？
• RQ2 吸収伴星と風供給星との間の質量比が、角運動量損失に果たす役割は何か？
• RQ3 風の加速プロファイル（例：β則）および状態方程式（γ_ad）の変化が、風の尾の構造とドラッグ力に与える影響は何か？
• RQ4 風速度と質量比に基づく単純な解析的式が、風駆動連星における軌道的進化を正確に予測できるか？
• RQ5 Vela X-1 や Cygnus X-1 のような高質量X線連星の軌道的進化において、風駆動効果と潮汐力の相対的寄与はどのように比較できるか？

主な発見

• 風速度と軌道速度の比が小さく、質量比が高い場合には、非対称な風ドラッグによる強い角運動量損失が生じ、軌道収縮が発生する。
• 広い軌道や軽い吸収伴星を有する系では、風の質量損失がより対称的になり、ネット運動量移動により軌道拡張が生じる。
• 断熱指数（γ_ad = 1.1 から 5/3）の範囲でドラッグ効率 γ_drag は約2.5倍の範囲で変動するが、γ_ad が低いほど圧縮性が高く、塊状の流れとなり、ドラッグが大きくなる。
• 数値的解像度のテストでは、γ_drag がソフトニング半径（r_soft）やAMRレベルの変化に対して頑健であり、テストされたパラメータ範囲で±5%以内の変動に収束する。
• シミュレーションにより、風速度と質量比が軌道的進化において支配的要因であることが確認され、風プロファイルやγ_ad などの他のパラメータは二次的役割を果たす。
• 風速度と質量比に基づく単純な解析的式が、観測された軌道的進化を正確に捉えており、コンパクト連星形成経路の予測モデリングが可能になった。