[논문 리뷰] Formation of undermassive single white dwarfs and the influence of planets on late stellar evolution

G. Nelemans, Thomas M. Tauris|arXiv (Cornell University)|1998. 05. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 태양형 항성에서 질량이 큰 행성 또는 백색왜성의 태양형 항성의 거대가지 진화 기간 동안 행성을 포획함으로써, 공통-envelope 단계를 유도하고, 이를 통해 대기권을 제거하여 낮은 질량의 헬륨 핵을 남기는, 저질량 단일 백색왜성(과소질량 백색왜성)이 형성된다고 제안한다. 주요 결과는 행성의 증발 또는 로치 로브 오버플로우가 0.20–0.45 M☉ 사이의 고립된 과소질량 백색왜성의 형성을 가능하게 하며, WD 1353+409 및 WD 1614+136와 같은 관측된 체계와 일치한다.

ABSTRACT

We propose a scenario to form low-mass, single, slow rotating white dwarfs from a solar-like star accompanied by a massive planet, or a brown dwarf, in a relatively close orbit (e.g. HD 89707). Such white dwarfs were recently found by Maxted & Marsh (1998). When the solar-like star ascends the giant branch it captures the planet and the subsequent spiral-in phase expels the envelope of the giant leaving a low-mass helium white dwarf remnant. In case the planet evaporizes, or fills its own Roche-lobe, the outcome is a single undermassive white dwarf. The observed distribution of planetary systems supports the applicability of this scenario.

연구 동기 및 목표

• 표준 단일별 진화로는 형성될 수 없는 단일 저질량 백색왜성(과소질량, <0.5 M☉)의 기원을 설명한다.
• 합성 모델(고속 회전 예측)과 관측 결과(저속도 회전, v sin i < 50 km s⁻¹) 사이의 모순을 해결한다.
• 근접 궤도에 있는 질량이 큰 행성 또는 백색왜성이 공통-envelope 제거를 유도하여 고립된 저질량 백색왜성 잔여물이 형성될 수 있는지 조사한다.
• 과소질량 백색왜성 형성에 대한 이중성 합성 시나리오의 대안으로서 행성 유도 공통-envelope 진화의 타당성을 평가한다.

제안 방법

• 에너지 균형을 사용하여 공통-envelope 단계를 모델링: 궤도 에너지 손실이 대기권 제거를 이끌며, 효율 계수 ηce = 4 및 λ = 0.5를 사용한다.
• 에너지 균형 방정식을 사용하여 최종 궤도 분리를 계산: af ≈ (ηceλ/2)(Mcore/mp)(Menv/M)Rg, Mcore ≪ Menv를 가정한다.
• 음속과 탈출 속도를 비교하여 행성 증발을 추정: cs² ≈ 2Gmp/(αrp), 온도 프로파일 T ≈ 1.78×10⁶ K (r/R☉)⁻⁰·⁸⁵.
• 대기권 온도와 행성 크기에 기반하여, 스피RAL 인내도 동안 증발이 발생하는 임계 행성 질량(mcrit)을 결정한다.
• 중력파 방출으로 인한 궤도 감쇠 시간 스케일을 사용하여 로치 로브 오버플로우를 평가하며, 파괴를 위해 tGW < 5 Gyr 가 필요하다.
• 관측된 외계행성 체계(예: HD 89707, HD 140913)를 시험 사례로 사용하여 질량-궤도 주기 공간에서 결과(제거, 증발, 파손)를 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양형 항성의 근접 궤도에 있는 질량이 큰 행성 또는 백색왜성이 거대진화 기간 동안 포획되면, 공통-envelope 제거를 통해 단일 저질량 백색왜성이 형성될 수 있는가?
• RQ2 행성이 거대 별의 대기권으로 빨려들어가는 동안 증발, 생존, 또는 파손이 발생하는 질량 및 궤도 주기의 임계 조건은 무엇인가?
• RQ3 행성 증발 또는 로치 로브 오버플로우가 형성된 백색왜성의 최종 질량 및 회전 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 행성 유도 공통-envelope 시나리오는 WD 1353+409 및 WD 1614+136와 같이 관측된 과소질량 백색왜성과 일치하는가, 특히 낮은 회전 속도를 설명하는가?
• RQ5 이중성의 부재를 고려할 때, 이 메커니즘이 관측된 단일 과소질량 백색왜성에서 보조성체의 부재를 설명할 수 있는가, 특히 저질량 천체의 탐지 한계를 고려하여?

주요 결과

• 거대 별의 대기권으로 빨려드는 동안의 행성 증발은 전체 대기권을 제거할 수 있으며, 이를 통해 0.20–0.45 M☉ 사이의 단일 저질량 헬륨 백색왜성 잔여물이 남는다.
• 초기 행성 질량이 약 ~15 MJ 이하일 경우, 궤도 감쇠가 상당히 일어나기 전에 증발이 발생하여, 최소한의 각운동량 전달을 겪는 단일 과소질량 백색왜성이 형성된다.
• 15–25 MJ 사이의 행성은 궤도 감쇠 중에 로치 로브를 메우며 파손되며, 안정적인 궤도를 도는 동반성체를 방지한다.
• ~25 MJ 이상의 행성은 공통-envelope 단계를 살아남지만, 중력파 방출으로 인해 나중에 빨려들어올 수 있으며, 初기 궤도 주기가 10–20일 이하일 경우, 파손 시간 스케일이 5 Gyr 이내일 수 있다.
• 이 시나리오는 WD 1353+409 및 WD 1614+136의 낮은 관측된 회전 속도(v sin i < 50 km s⁻¹)를 성공적으로 설명한다. 각운동량은 제거된 대기권으로 이전된다.
• HD 89707 및 HD 140913은 행성 질량과 궤도 주기를 고려할 때, 이러한 단일 과소질량 백색왜성을 형성하는 데 가장 유망한 관측 체계로 확인되었다.