[논문 리뷰] Wind accretion in binary stars - I. Mass accretion ratio

T. Nagae, Kazutaka Oka외 4명|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 15.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 28인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 풍속에 의한 질량 손실을 겪는 밀집 이중성계에서 질량 합착을 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 모델링한다. 주로 보조성의 질량 손실 중 합착되는 비율인 질량 합착 비율을 중심으로 다룬다. 질량 합착 효율은 풍속 증가에 따라 급격히 감소하며, $ V_R \sim 2.6A\Omega $ 에서의 뾰족한 전이점이 존재한다. 또한 표준 Bondi-Hoyle 모델은 중간 영역에서의 복잡한 유동 역학을 반영하지 못해 질량 합착을 과소평가한다.

ABSTRACT

Three-dimensional hydrodynamic calculations are performed in order to investigate mass transfer in a close binary system, in which one component undergoes mass loss through a wind. The mass ratio is assumed to be unity. The radius of the mass-losing star is taken to be about a quarter of the separation between the two stars. Calculations are performed for gases with a ratio of specific heats gamma=1.01 and 5/3. Mass loss is assumed to be thermally driven so that the other parameter is the sound speed of the gas on the mass-losing star. Here, we focus our attention on two features: flow patterns and mass accretion ratio, which we define as the ratio of the mass accretion rate onto the companion to the mass loss rate from the mass-losing primary star. We characterize the flow by the mean normal velocity of wind on the critical Roche surface of the mass-losing star, Vr. When Vr<0.4 A Omega, where A and Omega are the separation between the two stars and the angular orbital frequency of the binary, respectively, we obtain Roche-lobe over-flow (RLOF), while for Vr>0.7 A Omega we observe wind accretion. We find very complex flow patterns in between these two extreme cases. We derive an empirical formula of the mass accretion ratio in the low and in the high velocity regime.

연구 동기 및 목표

• 열적으로 구동되는 풍에 의해 질량을 잃는 별이 포함된 밀집 이중성계에서의 질량 이행을 조사하기 위해.
• 다양한 풍속에서 주어진 질량 손실 중 보조성에 의해 합착되는 비율인 질량 합착 비율을 결정하기 위해.
• 유동 역학적 특성에 기반해 Roche 등면의 넘침(RLOF)과 풍 합착 영역 사이의 전이 조건을 규명하기 위해.
• 표준 Bondi-Hoyle 이론이 반영하지 못하는 복잡한 중간 영역의 흐름 패tern을 고려한 질량 합착 비율에 대한 경험 공식을 개발하기 위해.

제안 방법

• 같은 질량을 가진 별 두 개로 이루어진 이중성계의 3차원 유체역학 시뮬레이션을 수행하며, 별 간 거리는 $ A $ 로 설정한다. 이중성계 중 하나의 별이 열적으로 구동되는 풍에 의해 질량을 잃는다.
• 다른 기체 거동을 모의하기 위해 $ \gamma = 1.01 $ 과 $ \gamma = 5/3 $ 인 두 가지 상태 방정정식을 사용한다.
• 유동 영역을 분류하기 위해, 임계 Roche 표면에서의 평균 수직 풍속인 $ V_R $ 를 핵심 매개변수로 정의한다.
• 합착 영역의 해상도를 향상시키고 수치 점성도를 줄이기 위해 네스트드 격자 기법을 적용한다.
• 궤도 각속도 $ \Omega $ 를 고려해 $ V_R / A\Omega $ 를 변수로 하여 질량 합착 비율 $ f = \dot{M}_{\text{acc}} / \dot{M}_{\text{loss}} $ 을 계산한다.
• 고전적 Hoyle-Lyttleton 및 Bondi-Hoyle 공식과의 비교를 통해 이중성 풍 합착에서의 적용 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중성계에서 풍속이 궤도 운동에 비해 어떻게 변할 때 질량 합착 비율이 변화하는가?
• RQ2 순수한 Roche 등면 넘침과 순수한 풍 합착 영역 사이에서 나타나는 고유한 흐름 패턴은 무엇인가?
• RQ3 왜 표준 Bondi-Hoyle 또는 Hoyle-Lyttleton 공식은 밀집 이중성 풍 시스템에서 질량 합착 효율을 정확히 예측하지 못하는가?
• RQ4 수치 해상도는 시간에 따른 합착 유량의 변동성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 $ V_R \sim 2.6A\Omega $ 에서 질량 합착 비율에 뾰족한 전이점이 관측되는가?

주요 결과

• $ V_R < 0.4A\Omega $ 일 경우 흐름은 Roche 등면 넘침(RLOF)으로 분류되며, $ V_R > 0.7A\Omega $ 일 경우 풍 합착으로 간주되며, 그 사이에는 복잡한 전이 흐름 패턴이 존재한다.
• 저속 영역에서 질량 합착 비율을 정확히 기술하는 경험 공식 $ f = 0.18 \times 10^{-0.75V_R / A\Omega} $ 이 도출되었다.
• 고속 영역에서는 질량 합착 비율이 $ f = 0.05 \times (V_R / A\Omega)^{-4} $ 를 따르며, 이는 풍속에 매우 민감한 의존성을 나타낸다.
• $ V_R \sim 2.6A\Omega $ 에서 관측된 질량 합착 비율의 뾰족한 전이점은 합착 상자 크기가 합착 반경과 유사하기 때문이며, 상자를 축소하면 이 전이점은 더 높은 $ V_R $ 로 이동한다.
• 특히 $ \gamma = 5/3 $ 과 중간 흐름 영역에서 합착률의 시간적 변동성이 크며(최대 70%의 진폭), 고속 영역에서는 감소하고, 주요 주파수는 관측되지 않는다.
• 결과적으로 고전적 Bondi-Hoyle 공식은 비평행적이고 산산이 흩어지는 흐름과 이중성의 역학적 영향을 반영하지 못해 질량 합착 효율을 과소평가한다.