[논문 리뷰] Hot Jupiter engulfment by a red giant in 3D hydrodynamics

Mike Y. M. Lau, Matteo Cantiello외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1 $M_{\rm{J}}$의 핫 점성 행성과 1 $M_{\odot}$의 적색거성 간의 상호작용을 3차원 유체역학 시뮬레이션으로 수행하며, 행성을 다이내믹스가 반영된 폴리트ropic 기체 구로 모델링한다. 결과적으로 약 90%의 행성 질량이 난류층에서 기화되며, 표면 리튬 농도는 약 0.1 dex 증가하고, 약 1 km s$^{-1}$ 수준의 미약한 스핀업과 재결합 또는 마찰加열에 의해 유도되는 일시적인 밝은 천체의 가능성도 제기된다.

ABSTRACT

Hot Jupiters are gas giant planets with orbital periods of a few days and are found in 0.1-1% of Sun-like stars. They are expected to be engulfed during their host star's radial expansion on the red giant branch, which may account for observed rapidly rotating and chemically enriched giant stars. We performed 3D hydrodynamical simulations of hot Jupiter engulfment by a 1 solar mass, 4 solar radii early red giant. Our 'global' simulations simultaneously resolve the stellar envelope and planetary structure, modelling the hot Jupiter as a polytropic gas sphere. The hot Jupiter spirals in due to ram-pressure drag. A substantial fraction of its mass is continuously ablated in this process, although the mass-loss rate is resolution dependent. We estimate that this could enhance the surface lithium abundance by up to 0.1 dex. The hot Jupiter is disrupted by a combination of ram pressure and tidal forces near the base of the convective envelope, with the deepest material penetrating to the radiative zone. The star experiences modest spin-up (~ 1 km/s), and engulfing a more massive companion may be required to produce a rapidly rotating giant. Drag heating near the surface and hydrogen recombination in the small amount of unbound ejecta recorded in the simulation could power an optical transient, although this needs to be confirmed by a calculation that has adequate resolution at the stellar surface.

연구 동기 및 목표

• 핫 점성 행성의 적색거성에 대한 전면적인 3차원 유체역학적 상호작용을 동시에 항성 및 행성의 구조를 해석할 수 있도록 시뮬레이션한다.
• 행성 흡수 과정 중 질량 기화, 운동량 이행, 화학적 농도 변화를 정량화한다.
• 표면 리튬 농도 증가, 항성 스핀업, 빛나는 잠깐 번쩍임과 같은 관측 가능한 서명의 가능성을 평가한다.
• 수치 해상도와 가열 효과에 대한 결과의 탄력성(내구성)을 평가한다.
• 행성 흡수가 리튬 농도가 높고 빠르게 회전하는 거성의 기원이 될 수 있는 조건을 탐색한다.

제안 방법

• 1 $M_{\odot}$의 적색거성과 1 $M_{\rm{J}}$의 핫 점성 행성 간의 상호작용을 모의하기 위해 스무딩 입자 유체역학(SPH) 코드를 사용한 3차원 유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 핫 점성 행성을 다이내믹스가 반영된 폴리트ropic 기체 구로 모델링하며, 폴리트ropic 지수 $n = 3$을 사용하여 내부 구조와 기화를 일관되게 처리한다.
• 시뮬레이션은 항성 대류층과 행성 내부를 전역적으로 해상하며, 기체 저항, tidal 힘, 대류 혼합을 전 과정에 걸쳐 포괄한다.
• 주성은 MESA 항성 진화 모델을 사용해 초기화되며, 반지름 4 $R_{\odot}$, 대류층이 약 0.8 $R_{\odot}$까지 확장된다.
• 질량 손실, 운동량 투입, 에너지 소산을 추적하며, 표면 농도 변화와 회전 속도에 대한 진단도 수행한다.
• 기화 및 가열의 수렴성 평가를 위해 해상도 테스트를 실시하며, 특히 경계를 스치는 단계에서의 결과를 중심으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핫 점성 행성이 적색거성의 대류층을 통과하는 동안 얼마나 기화되는가?
• RQ2 행성 물질의 혼합으로 인해 표면의 리튬 및 기타 원소의 농도는 얼마나 증가하는가?
• RQ3 항성에 얼마나 많은 운동량이 이행되며, 그로 인해 항성 대류층의 스핀업은 얼마나 되는가?
• RQ4 마찰加열 또는 재결합에 의해 발생하는 에너지가 관측 가능한 광학적 잠깐 번쩍임을 유도할 수 있는가?
• RQ5 특히 초기 경계 스치는 단계에서 결과의 수치 해상도에 대한 탄력성은 어떠한가?

주요 결과

• 핫 점성 행성의 약 90% 질량이 대류층에서 기화되며, 대부분의 물질이 외부 층으로 혼합된다.
• 표면 리튬 농도는 약 0.1 dex 증가하지만, 개방 클러스터 내에서의 본질적 변동성 고려 시 통계적으로 유의미하지 않다.
• 항성이 미약한 스핀업을 경험하며, 대류층의 대부분은 약 1 km s$^{-1}$ 수준으로 회전하며 운동량 보존 법칙과 일치한다.
• 유도된 표면 회전 속도 최대치는 흡수된 물체의 질량에 비례하여 선형적으로 증가하며, 10 $M_{\rm{J}}$의 동반성체에 대해 약 10 km s$^{-1}$에 도달한다.
• 표면 근처의 마찰加열은 원래 항성의 빛나는 정도를 초월할 수 있으며, 빛나는 잠깐 번쩍임을 유도할 수 있다.
• 소량의 비결합 물질(약 10$^{-5}$ $M_{\odot}$)이 재결합에 의해 유도되는 잠깐 번쩍임을 유도할 수 있으며, 이는 전 흡수 수준보다 약 10배 높은 빛나는 정도로 수일간 지속될 수 있다.