[논문 리뷰] Star-planet interactions: II. Is planet engulfment the origin of fast rotating red giants?

Giovanni Privitera, G. Meynet외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 일부 퇴화한 별에서 관측된 빠른 표면 회전 속도를 빨간색 거성의 행성 삼킴 현상이 설명할 수 있는지 조사한다. 조도 상호작용, 운동량 이동 및 삼킴 후 역학을 포함하는 회전하는 별 모델을 사용하여, 저자들은 행성 삼킴이 표면 속도를 관측된 속도(최대 8 km s⁻¹)로 가속화할 수 있음을 보여주며, 이는 빨간색 거성 브런치 단계의 30퍼센트 이상 동안 지속된다. 이는 이러한 상호작용의 가장 명확한 관측적 징후로 회전 가속을 제공한다.

ABSTRACT

Context. Fast rotating red giants in the upper part of the red giant branch have surface velocities that cannot be explained by single star evolution. Aims. We check whether tides between a star and a planet followed by planet engulfment can indeed accelerate the surface rotation of red giants for a sufficient long time in order to produce these fast rotating red giants. Methods. Using rotating stellar models, accounting for the redistribution of the angular momentum inside the star by different transport mechanisms, for the exchanges of angular momentum between the planet orbit and the star before the engulfment and for the deposition of angular momentum inside the star at the engulfment, we study how the surface rotation velocity at the stellar surface evolves. Results. We show that the surface velocities reached at the end of the orbital decay due to tidal forces and planet engulfment can be similar to values observed for fast rotating red giants. This surface velocity then decreases when the star evolves along the red giant branch but at a sufficiently slow pace for allowing stars to be detected with such a high velocity. More quantitatively, star-planet interaction can produce a rapid acceleration of the surface of the star, above values equal to 8 km s$^{-1}$, for periods lasting up to more than 30% the red giant branch phase. The changes of the surface carbon isotopic ratios produced by the dilution of the planetary material into the convective envelope is quite modest. Much more important might be the increase of the lithium abundance due to this effect. However lithium may be affected by many different, still uncertain, processes. Conclusions. The acceleration of the stellar surface to rotation velocities above limits that depend on the surface gravity does appear at the moment as the clearest signature of a star-planet interaction.[abridged]

연구 동기 및 목표

• 관측된 일부 빨간색 거성에서 높은 표면 회전 속도를 유도할 수 있는 행성 삼킴이 가능한지 확인하기 위해.
• 삼킴 이후 이러한 빠른 회전이 얼마나 오래 지속되는지 정량화하기 위해.
• 표면 속도 증가가 내부 혼합 또는 기타 관측 가능한 징후를 유도할 수 있는지 평가하기 위해.
• 조도 감쇠 및 삼킴 동안 별의 궤도에서 별로 운동량 이전이 어떻게 작용하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 유로파 별진화 코드를 사용하여 별의 진화 모델을 계산하였으며, 복사 및 운동량 이동 메커니즘을 포함하였다.
• 조도력과 궤도 감쇠를 모델링하였으며, 별과 행성의 질량 변화, 마찰 및 중력 저항, 조도 결합을 포함하였다.
• 궤도 감쇠 단계 동안 행성 궤도와 별 내부 간 운동량 교환을 계산하였다.
• 삼킴 시 행성의 운동량이 별의 외층에 어떻게 투입되는지 자세한 이동 모델을 사용해 시뮬레이션하였다.
• 모델은 1.5에서 2.5 M⊙의 별 질량, 1에서 15 MJ의 행성 질량, 初기 궤도 거리 0.5에서 1.5 AU, Z = 0.02를 포함하였다.
• 표면 회전 속도, 빠른 회전 지속 시간, 삼킴 후 진화를 추적하기 위해 진화 궤적을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행성 삼킴이 관측된 빠른 도는 빨간색 거성의 표면 속도와 일치하는 속도를 유도할 수 있는가?
• RQ2 삼킴 이후 빠른 표면 회전은 얼마나 오래 지속되는가?
• RQ3 조도 감쇠 및 삼킴 동안 운동량 이전이 별의 회전 프로파일을 상당히 변화시키는가?
• RQ4 표면 속도 증가가 내부 혼합 또는 기타 검출 가능한 변화를 유도할 수 있는가?
• RQ5 빠른 도는 것 외에 리튬 또는 탄소 동위원소 비율의 변화와 같은 다른 관측 가능한 징후가 있는가?

주요 결과

• 행성 삼킴은 빨간색 거성의 표면 회전 속도를 8 km s⁻¹를 초과하는 속도로 가속화할 수 있으며, 이는 관측된 빠른 도는 빨간색 거성의 값과 일치한다.
• 빠른 표면 회전의 기간은 빨간색 거성 브런치 단계의 30퍼센트 이상 지속되며, 이는 고속도는 표면 속도로 검출 가능한 별을 만든다.
• 표면 속도 증가가 궤도 감쇠 및 삼킴 기간 동안 급격히 발생하며, 특히 행성이 별에 가까워질 때 가장 큰 가속이 발생한다.
• 행성 물질에 의한 리튬 농도 증가가 잠재적 징후일 수 있으나, 경쟁 과정으로 인해 불확실하다.
• 표면 탄소 동위원소 비율의 변화는 너무 미미하여 행성 삼킴의 신뢰할 수 있는 진단 도구로 쓸 수 없다.
• 표면 회전 속도는 빨간색 거성 진화의 상당한 부분 동안 관측 가능한 수준을 유지하므로, 별-행성 상호작용의 가장 명확한 관측 징후로 여겨진다.