[논문 리뷰] Close binary evolution I. The tidally induced shear mixing in rotating binaries

Hanfeng Song, A. Maeder외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 28.

Astro and Planetary Science참고 문헌 31인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 밀접한 쌍성계에서 tidal-induced shear mixing(TISM)을 조사하며, 조석이 별의 회전을 둔화시키거나 가속화시켜 강한 내부의 차등 회전과 효율적인 화학혼합을 유도할 수 있음을 보여준다. 주요 결과는 TISM이 질량 전이 이전에 질소 표면 농축을著しく 증가시키며, 순환 흐름이 조석 효과를 상쇄시켜 표준 추정치를 초월해 동기화 시간스케일을 연장시킨다는 것이다.

ABSTRACT

We study how tides in a binary system induce some specific internal shear mixing, able to substantially modify the evolution of close binaries prior to mass transfer. We construct numerical models accounting for tidal interactions, meridional circulation, transport of angular momentum, shears and horizontal turbulence and consider a variety of orbital periods and initial rotation velocities. Depending on orbital periods and rotation velocities, tidal effects may spin down (spin down Case) or spin up (spin up Case) the axial rotation. In both cases, tides may induce a large internal differential rotation. The resulting tidally induced shear mixing (TISM) is so efficient that the internal distributions of angular velocity and chemical elements are greatly influenced. The evolutionary tracks are modified, and in both cases of spin down and spin up, large amounts of nitrogen can be transported to the stellar surfaces before any binary mass transfer. Meridional circulation, when properly treated as an advection, always tends to counteract the tidal interaction, tending to spin up the surface when it is braked down and vice versa. As a consequence, the times needed for the axial angular velocity to become equal to the orbital angular velocity may be larger than given by typical synchronization timescales. Also, due to meridional circulation some differential rotation remains in tidally locked binary systems.

연구 동기 및 목표

• 밀접한 쌍성계에서 조석 상호작용이 비틀림 혼합을 어떻게 유도하고 항성 진화에 어떤 영향을 미치는지 이해하기.
• 순환 흐름이 조석 브레이킹 또는 가속을 어떻게 상쇄하는지 검토하기.
• 조석 유도된 차등 회전이 운동량 수송과 화학 원소 혼합에 어떤 영향을 미치는지 정량화하기.
• TISM의 관측 가능한 결과, 특히 질소 표면 농축과 회전 진화에 대한 영향 평가하기.
• 유동 기반 순환 흐름을 포함하여 동기화 시간스케일 추정치를 향상시키기.

제안 방법

• 조석 상호작용, 순환 흐름, 운동량 수송, 비틀림 혼합을 포함한 밀접한 쌍성계 진화의 수치 모델링.
• Toledano 등(2007)의 토양 점성도 기반 흐트러진 점성 모델을 사용한 조석 브레이킹 도입: $\tau_{\mathrm{sync,turb}} \propto q^{-2}(R/a)^{-6}$.
• 운동량 수송을 정확히 모의하기 위해 확산 근사 대신 유동 기반 순환 흐름 사용.
• 수평 난류 모델링 및 그가 비틀림 혼합 효율을 향상시키는 역할 분석.
• 다양한 초기 궤도 주기와 자전 속도에서 조석 효과 유무에 따라 진화 궤적 비교.
• 표면 농도 변화, 내부 자전 프로파일, 동기화 시간스케일 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조석 상호작용은 밀접한 쌍성계의 별의 축 방향 자전에 어떤 영향을 미치며, 둔화 또는 가속을 유도하는가?
• RQ2 조석 유도 비틀림 혼합(TISM)은 내부의 각속도 분포와 화학 원소 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 유동 기반 순환 흐름으로 간주할 경우, 조석 브레이킹 또는 가속에 대한 반응은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 RLOF 이전에 TISM은 질소 표면 농축에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유동 기반 순환 흐름을 포함한 경우와 표준 확산 모델을 사용한 경우의 동기화 시간스케일은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 조석 상호작용은 초기 조건에 따라 별 표면의 자전을 둔화시키거나 가속화시킬 수 있으며, 이로 인해 강한 내부 차등 회전이 발생한다.
• 조석 유도 비틀림 혼합(TISM)은 매우 효율적이며, 질량 전이 이전에 별 표면에서 질소 농축이著적으로 증가한다.
• 순환 흐름은 항상 조석 효과를 상쇄시켜 동기화 과정을 늦추며, $\Omega = \omega_{\rm orb}$에 도달하는 데 소요되는 시간을 연장시킨다.
• 둔화 케이스와 가속 케이스 모두에서 TISM은 표면 질소 농도를 증가시키며, 특히 둔화 케이스에서 더 긴 초기 궤도 주기일수록 효과가 뚜렷하다.
• 조석으로 고정된 시스템에서도 순환 흐름의 상쇄 작용으로 인해 여전히 차등 회전이 지속된다.
• 유동 기반 순환 흐름을 정확히 고려할 경우, 회전 동기화에 소요되는 시간스케일은 표준 추정치를 초월할 수 있다.