[논문 리뷰] Stability Criteria for Mass Transfer in Binary Stellar Evolution

G. E. Soberman, E. S. Phinney외 1명|ArXiv.org|1997. 03. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 6인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 이중성 항성계에서 질량 이 trasfer의 안정성 분석을 위한 통합 프레임워크를 개발한다. 주로 적색거성–중성자별 이중성에 초점을 맞추며, 열적 및 동역학적 시간스케일에서 질량 이 trasfer가 안정적으로 유지되는 조건을 유도한다. 안정성은 바람의 비정상적 각운동량이 시스템의 감소된 질량의 각운동량을 초과하지 않을 경우 유지되며, 대부분의 시스템이 비보존적 질량 이 trasfer 모델 하에서 안정하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The evolution of a binary star system by various analytic approximations of mass transfer is discussed, with particular attention payed to the stability of these processes against runaway on the thermal and dynamical timescales of the mass donating star. Mass transfer in red giant - neutron star binary systems is used as a specific example of such mass transfer, and is investigated. Hjellming and Webbink's (1987) results on the dynamic timescale response of a convective star with a core to mass loss are applied, with new results. It is found that mass transfer is usually stable, so long as the the wind's specific angular momentum does not exceed the angular momentum per reduced mass of the system. This holds for both dynamical and thermal timescales. Those systems which are not stable will usually transfer mass on the thermal timescale. Included are graphs illustrating the variation of the Roche radius exponent with mass ratio in the binary, for various parameters in the non-conservative mass transfer, as well as evolutionary paths of interacting red giant neutron star binaries.

연구 동기 및 목표

• 근접한 이중성 항성계에서 질량 이 trasfer를 모델링하기 위한 통합 이론적 프레임워크를 수립함으로써, 특히 폭주 과정에 대한 안정성에 초점을 맞춘다.
• 보존적 및 비보존적(바람 주도) 시나리오를 포함한 다양한 질량 이 trasfer 모드에서 적색거성–중성자별 이중성에서 질량 이 trasfer의 안정성을 조사한다.
• 특히 저질량 기여자와 밀집된 동반성과 함께, 열적 또는 동역학적 시간스케일에서 질량 이 trasfer가 안정적으로 진행되는 조건을 규명한다.
• 질량 손실 메커니즘(예: 등방성 재방출, 프로펠러 배출)이 궤도 진화와 안정성에 미치는 영향을 정량화하며, 특히 저질량 X선 이중성(LMXB) 및 저질량 이중 펄서(LMBP)의 원천에 초점을 맞춘다.
• 비보존적 질량 이 trasfer가 백색왜성–중성자별 이중성에서 관측된 주기–핵 질량 관계에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 원형 궤도와 낮은 이심률을 가정하여, 각운동량과 케플러의 법칙을 사용해 질량 이 trasfer 하에서 궤도 진화의 운동학적 방정식을 유도한다.
• Hjellming과 Webbink(1987)의 대류성 항성의 질량 손실에 대한 반응에 관한 결과를 적용하여 동역학적 및 열적 시간스케일 안정성 모델링을 수행한다.
• Roche 띠 반경의 질량 손실에 대한 민감도를 측정하는 무차원 수 $\zeta_L = \partial \ln r_L / \partial \ln m$ 을 도입하며, 이는 안정성 평가에 사용된다.
• 바람의 비정상적 각운동량 $\ell_{\rm wind}$ 이 시스템의 감소된 질량의 각운동량 $\ell_{\rm red}$ 를 초과하지 않을 경우를 핵심 안정성 기준으로 사용한다.
• 등방성 재방출과 에딩턴 한계에 도달한 수용을 사용하여 비보존적 질량 이 trasfer를 모델링하며, 질량 배출을 기술하기 위해 $\beta = \max(0, \dot{m}_g / \dot{m}_{X,{\rm Edd}} - 1)$ 를 사용한다.
• 수치 시뮬레이션과 그래픽 분석(그림 8–11)을 통해 보존적, 등방성 바람, 에딩턴 한계에 도달한 모드의 다양한 질량 이 trasfer 모드에서의 진화 경로를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 조건에서 적색거성–중성자별 이중성에서 질량 이 trasfer가 열적 및 동역학적 시간스케일에서 안정적인가?
• RQ2 바람의 비정상적 각운동량이 이중성 시스템에서 질량 이 trasfer의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비보존적 질량 이 trasfer 메커니즘(예: 등방성 재방출)이 궤도 진화에서 보존적 질량 이 trasfer를 어느 정도 모방하는가?
• RQ4 기여 항성의 핵 질량이 대류층에서 질량 이 trasfer의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 다양한 질량 이 trasfer 모드가 백색왜성–중성자별 이중성에서의 최종 궤도 주기와 핵 질량 관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 바람의 비정상적 각운동량이 시스템의 감소된 질량의 각운동량을 초과하지 않는 한, 질량 이 trasfer는 일반적으로 열적 및 동역학적 시간스케일에서 안정하다.
• 낮은 핵 질량과 높은 질량 비율($q \approx 0.7$)을 가진 시스템가 가장 안정적인 경향이 있으며, 이 경우 $\zeta_L$ 는 -0.7에서 -0.2 사이를 오가며 변화한다.
• 매우 낮거나 핵 질량이 없는 시스템과 $\alpha \to 1$(높은 질량 손실 효율성)일 경우에만 동역학적 시간스케일에서 불안정해진다.
• 낮은 $q$ 와 높은 $\alpha$ 인 경우 열적 시간스케일의 불안정성이 발생할 수 있으나, 기여 항성이 낮은 핵 질량을 가져야만 가능하며, 그림 5에서 이를 확인할 수 있다.
• 등방성 재방출 또는 에딩턴 한계에 도달한 배출을 포함한 비보존적 질량 이 trasfer는 보존적 진화를 거의 정확히 모방하며, 궤도 주기 변화는 몇 퍼센트 내외이다.
• 최종 백색왜성 핵 질량과 궤도 주기는 주로 최종 상태에 의해 결정되며, 중성자별 질량에 대해 약한 의존성을 보이며, 이는 $P$–$m_c$ 관계가 강력한 이론적 도구임을 검증한다.