[논문 리뷰] The orbital evolution of asteroids, pebbles and planets from giant branch stellar radiation and winds

Dimitri Veras, Siegfried Eggl외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 07.

Astro and Planetary Science참고 문헌 146인용 수 65

한 줄 요약

이 논문은 거대 브랜치 항성 주위에서 소행성, 페블, 행성의 궤도 진화를 위한 종합적인 3차원 모델을 개발한다. 시간에 따라 변화하는 항성 복사, 바람 저항(에프스타인 및 스토크스 영역), 포인팅-로버트슨 저항, 야르코프스키 이동(계절적 및 일일 성분)을 포함한다. 이는 야르코프스키 효과가 포인팅-로버트슨 저항보다 궤도 이심률과 기울기를 약 3개 항목 더 효과적으로 증가시켜, 생존한 소행성이 백색왜성 주위에 넓은 궤도로 탈출시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The discovery of over 50 planets around evolved stars and more than 35 debris discs orbiting white dwarfs highlight the increasing need to understand small body evolution around both early and asymptotic giant branch (GB) stars. Pebbles and asteroids are susceptible to strong accelerations from the intense luminosity and winds of GB stars. Here, we establish equations that can model time-varying GB stellar radiation, wind drag and mass loss. We derive the complete three-dimensional equations of motion in orbital elements due to (1) the Epstein and Stokes regimes of stellar wind drag, (2) Poynting-Robertson drag, and (3) the Yarkovsky drift with seasonal and diurnal components. We prove through averaging that the potential secular eccentricity and inclination excitation due to Yarkovsky drift can exceed that from Poynting-Robertson drag and radiation pressure by at least three orders of magnitude, possibly flinging asteroids which survive YORP spin-up into a widely dispersed cloud around the resulting white dwarf. The GB Yarkovsky effect alone may change an asteroid's orbital eccentricity by ten per cent in just one Myr. Damping perturbations from stellar wind drag can be just as extreme, but are strongly dependent on the highly uncertain local gas density and mean free path length. We conclude that GB radiative and wind effects must be considered when modelling the post-main-sequence evolution of bodies smaller than about 1000 km.

연구 동기 및 목표

• 별의 거대 브랜치(Giant Branch, GB) 단계 동안 소행성, 페블, 행성과 같은 소체의 궤도 진화를 모델링하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 항성 복사, 바람 저항(에프스타인 및 스토크스), 포인팅-로버트슨 저항, 야르코프스키 이동을 통합한 3차원 프레임워크에 통합하기 위해.
• 장기적인 궤도 변화를 이끄는 야르코프스키 이동과 다른 복사 및 바람 힘 간의 상대적 중요도 평가하기 위해.
• 야르코프스키 효과에 의한 궤도 이심률과 기울기의 증가가 백색왜성 주위에서 관측된 물질의 산산이 흩어진 형태를 설명할 수 있는지 판단하기 위해.
• 후주계성 행성계 모델링을 위해 사용할 수 있는 궤도 요소에 대한 해석적 운동 방정식 제공하기 위해.

제안 방법

• 에프스타인 및 스토크스 영역에서 항성 바람 저항의 영향을 받는 궤도 요소(a, e, i, Ω, ω)에 대한 시간에 따라 변화하는 운동 방정식 유도하기.
• 포인팅-로버트슨 저항과 야르코프스키 이동(계절적 및 일일 성분)을 완전한 3차원 궤도 역학 프레임워크에 통합하기.
• 반지름, 이심률, 기울기, 오베리트의 오르막점의 경도, 근일점의 인자에 대한 장기적 진화 속도를 유도하기 위해 궤도 평균화 기법 적용하기.
• 야르코프스키 효과가 궤도 요소에 미치는 영향을 표현하기 위해 텐서 기반 형식(Q-행렬) 사용하기. 비대칭 효과를 기록하는 비대각 항목 포함.
• 궤도 요소의 장기적 변화율에 대한 명시적 표현 유도하기. 1/c 항의 주요 항 및 고차항 보정 포함.
• 야르코프스키 효과가 거대 브랜치 단계에서 이심률과 기울기 증가에 있어 포인팅-로버트슨 저항보다 지배적일 수 있음을 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변화하는 항성 복사와 바람 저항은 거대 브랜치 단계 동안 소체의 궤도 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 포인팅-로버트슨 저항에 비해 야르코프스키 효과가 궤도 이심률과 기울기의 장기적 변화를 얼마나 효과적으로 이끌 수 있는가?
• RQ3 야르코프스키 효과만으로도 1 백만 년 이내에 소행성의 궤도가 상당히 산산이 흩어질 수 있는가?
• RQ4 거대 브랜치 단계에서 바람 저항과 복사력은 궤도 요소의 감쇠 또는 증가 능력에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 계절적 성분과 일일 성분 중 어느 것이 궤도 진화에 더 큰 기여를 하는가?

주요 결과

• 야르코프스키 효과는 포인팅-로버트슨 저항과 복사압력의 합보다 궤도 이심률과 기울기를 약 3개 항목 더 효과적으로 증가시킬 수 있다.
• 거대 브랜치 단계에서 야르코프스키 이동만으로도 1 백만 년 내에 소행성의 궤도 이심률이 10% 이상 변화시킬 수 있어 강력한 천체역학적 영향을 가진다.
• 야르코프스키 효과에 의해 유도된 장기적 이심률과 기울기 증가는 소행성을 결과로 생긴 백색왜성 주위에 넓게 산산이 흩어진 궤도로 탈출시킬 수 있으며, 이는 확장된 빛의 흩어진 고리 형태를 설명할 수 있다.
• 바람 저항은 동일한 정도의 감쇠 효과를 낼 수 있지만, 이는 불확실한 국소 기체 밀도와 평균 자유 길이에 매우 민감하다.
• 특히 후주계성 행성계 진화의 맥락에서 야르코프스키 효과가 장기적 궤도 진화에서 포인팅-로버트슨 저항을 지배한다.
• 유도된 운동 방정식은 거대 브랜치 단계 동안 1000km 이하의 천체의 궤도 진화를 모델링하기 위한 완전하고 해석적인 프레임워크를 제공한다.