[논문 리뷰] Faint intermediate luminosity optical transients (ILOTs) from engulfing exoplanets on the Hertzsprung gap

Omer Gurevich, Ealeal Bear외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 96인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 허츠프룽 갭 근처의 저질량 항성에 의해 삼킨 외계행성들이 공통-envelope 진화를 통해 미약한 중간 빛의 광학적 임시 천체(ILOT)를 생성할 수 있다고 제안한다. MESA 이중성 시뮬레이션을 통해 알려진 ILOT인 V1309 Sco의 특성에 비례하여, 목성질량의 행성이 약 수일간 지속되며 태양의 약 6,000배의 빛을 내뿜는 ILOT를 생성할 것으로 추정한다. 이는 고전적 초신성 수준 이하의 밝기이며, 공통-envelope 단계에서의 융합 물리학을 보다 단순한 방식으로 탐구할 수 있는 수단을 제공한다.

ABSTRACT

We follow the evolution of four observed exoplanets to the time when the respective parent star of each planet evolves off the main sequence and engulfs its planet to start a common envelope evolution (CEE), concluding that in each case this process powers an intermediate luminosity optical transient (ILOT; luminous red nova). We characterise the final thousands of days of the orbital decay towards a CEE and determine the properties of the star at the onset of the CEE. We scale the properties of the ILOT V1309 Scorpii to the properties of a planet that enters a CEE inside a star on and near the Hertzsprung gap to estimate the duration and luminosity of the expected ILOT. Based on these we estimate that for a planet of Jupiter mass the ILOT will last for several days and reach a luminosity of several thousand solar luminosity. This type of ILOTs are less luminous than classical novae. Because of the small amount of expected dust and the small amount of energy that an accretion process onto the planet can release, such ILOTs can teach us on the merger at the onset of CEE of stellar companions. Our study adds to the variety of ILOTs that planets can power as they interact with a more massive companion.

연구 동기 및 목표

• 저질량 항성의 허츠프룽 갭 근처에서 삼킨 외계행성이 관측 가능한 중간 빛의 광학적 임시 천체(ILOT)를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• stellar 질량 >0.85 M☉인 네 개의 관측된 외계행성 시스템에서 궤도 감쇠와 공통-envelope 진화(CCE) 단계를 모델링하기 위해.
• 잘 알려진 ILOT인 V1309 Sco에 기반하여, 행성 유도 CEE에서 발생하는 ILOT의 밝기와 지속 시간을 추정하기 위해.
• 항성 이중성에 의해 유도되는 ILOT와 비교해 볼 때, 이러한 미약하고 짧은 수명의 ILOT가 융합 물리학을 더 단순한 방식으로 탐구할 수 있는 잠재력을 지닌다.
• 특히 먼지 함량이 낮고 투명도가 높은 특성 때문에, 행성 유도 ILOT의 탐지 가능성과 관측적 특성에 대해 평가하기 위해.

제안 방법

• 초기 질량 >0.85 M☉인 항성에 초점을 맞춰, MESA-binary 별진화 코드를 사용하여 네 개의 외계행성 시스템의 진화를 시뮬레이션하였다.
• 행성의 근점 거리가 항성 반경 이하로 감소할 때까지 궤도 감쇠를 추적하여 공통-envelope 진화(CCE)의 시작을 표시하였다.
• ILOT V1309 Sco의 관측된 궤도 감쇠 프로파일(P = A exp(B/(t−t₀)))을 사용하여, CCE 전 10,000일 동안의 행동을 모델링하였다.
• 에너지 및 확산 시간 상수를 바탕으로 ILOT의 밝기와 시간 상수를 추정하였다: τILOT ≈ 3 (Mp/MJ)¹ᐟ² (κ/1 cm²/g⁻¹)¹ᐟ² (∆rs/0.3rs)¹ᐟ² (vs/200 km s⁻¹)⁻¹ᐟ² 일.
• 구형 조건을 가정하고, 복사 확산 시간 tdiff ≈ 55 (Mej/0.05M⊙)(κ/1 cm²/g⁻¹)(rs/5×10¹³ cm)⁻¹(∆rs/0.3rs) 일 을 사용하여 밝기를 추정하였다.
• 총 방사 에너지 Erad ≈ 6×10⁴² (Mp/MJ) erg로 스케일링하고, τILOT에 기반하여 LILOT ≈ 6,000 (Mp/MJ)¹ᐟ² L☉로 유도하였다: LILOT = Erad / τILOT.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허츠프룽 갭 근처의 저질량 항성이 외계행성을 삼키며 관측 가능한 ILOT를 생성할 수 있는가?
• RQ2 고전적 초신성과 비교해 볼 때, 행성 유도 공통-envelope 진화에 의해 유도된 ILOT의 예상 밝기와 지속 시간은 어떠한가?
• RQ3 행성에 의해 유도된 CEE에서 발생하는 ILOT의 물리적 특성은 항성 동반자에 의해 유도된 것과 어떻게 다를까?
• RQ4 V1309 Sco ILOT가 저질량 행성 동반자로부터 유도된 ILOT를 추정하는 데 얼마나 잘 작용하는 스케일링 템플릿이 될 수 있는가?
• RQ5 빛의 곡선 형태, 먼지 함량, 투명도 등의 관측적 특징은 어떤가? 이러한 특징들이 다른 유형의 임시 천체와 행성 유도 ILOT를 어떻게 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 질량 >0.85 M☉인 네 개의 관측된 외계행성 시스템을 공통-envelope 진화(CCE)의 시작 단계까지 시뮬레이션하여, 허츠프룽 갭 근처에서 삼키기가 발생할 수 있음을 확인하였다.
• CCE 전 10,000일 동안의 궤도 감쇠 프로파일이 ILOT V1309 Sco와 유사하여, 그 스케일링 매개변수를 사용하는 것이 타당함을 검증하였다.
• 목성질량의 행성에 대해 추정된 ILOT의 지속 시간은 약 3일이며, 밝기는 약 6,000 L☉로, 둘 다 고전적 초신성 수준 이하이다.
• 목성질량의 행성에 대해 총 방사 에너지는 약 ~6×10⁴² erg로 추정되었으며, 궤도 에너지의 매우 작은 비율(~10⁻⁴)에 해당하여, 미약한 임시 천체의 행동과 일치한다.
• 에이제이 질량이 낮고 먼지 함량이 감소함에 따라, 행성 유도 ILOT는 항성 이중성에 의해 유도된 ILOT보다 더 투명하고 덜 투명한 것으로 예상되며, 이는 복사 확산이 빠르게 일어나도록 한다.
• 이러한 미약하고 짧은 수명의 ILOT는 항성 이중성 융합에서 관찰되는 질량 축적 에너지와 제트 형성과 같은 복잡한 요소가 없기 때문에, 공통-envelope 진화의 물리학을 연구하는 데 더 단순한 시스템을 제공한다.