[論文レビュー] Wind morphology around cool evolved stars in binaries: the case of slowly accelerating oxygen-rich outflows

I. El Mellah, J. Bolte+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 101被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、MPI-AMRVACを用いて70の三次元流体力学シミュレーションを実施し、二重星系における酸素豊富なAGB星の周囲の風の形態を、ゆっくりと加速する風に注目してモデル化した。酸素豊富な流れは、終端速度が低いことから、ディスク状構造や軌道面への集中をより強く受ける傾向にあり、同伴星が十分に質量を有する場合には顕著な軌道収縮を引き起こす。この研究は、高分解能のcircumbinary包層の観測を解釈するためのフレームワークを提供する。

ABSTRACT

The late stellar evolutionary phases of low and intermediate-mass stars are strongly constrained by their mass-loss rates. The wind surrounding cool evolved stars frequently shows non-spherical features, thought to be due to an unseen companion orbiting the donor star. We study the morphology of the circumbinary envelope, in particular around oxygen-rich asymptotic giant branch (AGB) stars. We run a grid of 70 3D hydrodynamics simulations of a progressively accelerating wind propagating in the Roche potential formed by a mass-loosing evolved star in orbit with a main sequence companion. We resolve the flow structure both in the immediate vicinity of the secondary, where bow shocks, outflows and wind-captured disks form, and up to 40 orbital separations, where spiral arms, arcs and equatorial density enhancements develop. When the companion is deeply engulfed in the wind, the lower terminal wind speeds and more progressive wind acceleration around oxygen-rich AGB stars make them more prone than carbon-rich AGB stars to display more disturbed outflows, a disk-like structure around the companion and a wind concentrated in the orbital plane. In these configurations, a large fraction of the wind is captured by the companion which leads to a significant shrinking of the orbit over the mass-loss timescale, if the donor star is at least a few times more massive than its companion. Provided the companion has a mass of at least a tenth of the mass of the donor star, it can compress the wind in the orbital plane up to large distances. Our grid of models covers a wide scope of configurations function of the dust chemical content, the terminal wind speed relative to the orbital speed, the extension of the dust condensation region around the cool evolved star and the mass ratio. It provides a frame of reference to interpret high-resolution maps of the outflows surrounding cool evolved stars.

研究の動機と目的

• 冷却された進化星を有する二重星系におけるcircumbinary風の形態を理解すること。特に、ゆっくりと加速する風を示す酸素豊富なAGB星に注目する。
• 酸素豊富なAGB星の風が同伴星の周囲に捕獲されたディスクが形成される条件を特定すること。
• このような系における質量損失と風捕獲によって駆動される長期的軌道進化を調査すること。
• 加速プロファイルの違いと対称性の破れに注目し、酸素豊富なAGB星と炭素豊富なAGB星の風のダイナミクスを比較すること。
• 進化した二重星系の高分解能ALMAおよびハッブル宇宙望遠鏡観測を解釈するためのパラメータ化されたフレームワークを提供すること。

提案手法

• 風の形態を二重星系の性質に関連付けるための次元なしパラメータの縮小セットが用いられ、質量比、風の終端速度と軌道速度の比、およびダスト凝縮領域の広がりが含まれる。
• 適応メッシュ細分化を用いたMPI-AMRVACコードを用いた高性能3次元流体力学的シミュレーションが実施され、同伴星の近傍から40軌道分離まで構造を解像できる。
• 二重星系のローチェポテンシャルがモデル化され、風は酸素豊富なAGB星に代表される段階的加速プロファイルでパラメータ化された。
• シミュレーションでは、circumbinary媒質におけるbow衝撃波、らせん腕、弧状構造、および赤道面における密度増強の形成が追跡された。
• シミュレーション出力の後処理により、SKIRT、RADMC-3D、Magritteなどの放射線輸送コードを用いて、ダストおよび分子線の合成放射マップが作成された。
• このフレームワークにより、低コストで高分解能のシミュレーションを基盤として、放射効果とダスト成長の系統的探索が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素豊富なAGB供給星を有する二重星系において、どのような条件下で風が同伴星の周囲に捕獲されたディスクが形成されるか？
• RQ2 酸素豊富な風のゆっくりとした加速が、炭素豊富な風と比較してcircumbinary風の対称性と構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 同伴星が星風の顕著な割合を捕獲する場合、長期的な二重星系の軌道進化はどのようになるか？
• RQ4 供給星と同伴星の質量比が、風の運動量移動によって引き起こされる軌道分離の収縮または拡大の程度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 脈動や爆発なしに、安定状態の星風モデルで、軌道面における観測されたらせん構造や密度増強をどの程度説明できるか？

主な発見

• 酸素豊富なAGB星は、ゆっくりと加速する風のため、炭素豊富なAGB星と比較して、より強く乱れた風の流れや同伴星周囲のディスク状構造を形成する傾向にある。
• 同伴星が深く埋め込まれており、供給星の数倍の質量を有する場合、風捕獲が強く作用し、質量損失 timescale の間に顕著な軌道収縮が生じる。
• 同伴星が比較的軽量な場合には、軌道分離が拡大するが、その速度は供給星の質量損失率より低くなる。
• 風の終端速度が軌道速度に比べて著しく低い場合（η ≲ 1）、軌道面に高密度の物質が集中し、自己相似的に拡大するらせん弧状構造が形成される。
• q ≈ 1 かつ η ≲ 1 の系では、脈動や爆発がなくても、不安定な流れが発生し、破片化したシェルや同心円状のペタル状パターンが軌道面に現れる。
• シミュレーションは、高分解能のALMAおよびハッブルデータと直接比較可能な合成観測量を予測するフレームワークを提供しており、高度な放射線輸送コードによる後処理を通じて実現された。