[論文レビュー] Common envelope: the progress and the pitfalls

Natalia Ivanova|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 21被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、共通エンvelope（CE）進化で一般的に用いられる$\alpha\lambda$および$\gamma$形式主義について批判的に評価し、過剰に単純化され、一貫性のない仮定に基づいているとして、根本的に欠陥があると主張する。$\lambda$は星の構造やコアの定義に応じて最大2桁の違いを示す一方、爆発的噴出状況では$\alpha$が100を上回る可能性があり、$\alpha \leq 1$という仮定を無効にする。本研究は、普遍的な形式主義を放棄し、CEの発生段階およびスパイラルイン段階の物理的モデリングへの移行を提唱する。

ABSTRACT

The common envelope event is one of the most important and uncertain evolutionary stages that lead to formation of compact binaries. While the problem is almost 30 years old, its theoretical foundation did not progress much from the first proposed consideration. For many years, the simple estimate provided by αλ-formalism has been intensively used by population synthesis studies and, not surprisingly, frequently contradicted observations. In recent years, the advancements in our studies of stellar structure, progress of the numerical techniques for hydrodynamical simulations as well as increase of the computer power and new observations started to bring improvements to our understanding of the common envelope phase. We review main physical processes taking place during the common envelope phase from the theoretical point of view and how they affect the values of classical formal parameters. In particular, we discuss the energy budget problem -- what are the energy sources, sinks and what is the condition for the envelope to disperse, as well as the importance of choosing the definition of the remnant core to the common envelope outcome.

研究の動機と目的

• 共通エンベロープ（CE）進化の集団合成研究において長年にわたり用いられてきた$\alpha\lambda$および$\gamma$形式主義の使用に疑問を呈すること。
• 現在のパラメータ化における物理的・理論的落とし穴、特に観測データと一致しない点を特定すること。
• $\lambda$と$\alpha$が普遍的定数ではなく、星の構造、コアの定義、進化状態に強く依存することを主張すること。
• CE発生段階およびスパイラルイン段階の背後にある物理的メカニズムを理解するため、形式主義から脱却する必要性を強調すること。
• エネルギー源、エネルギー Sink、および噴出条件における主要な不確実性を特定することで、共通エンベロープ後の二重星のより正確なモデリングのための枠組みを提供すること。

提案手法

• 方程式(1)～(4)のエネルギー形式主義および方程式(5)の角運動量形式主義を分析し、CE進化における妥当性と限界を評価する。
• 詳細な星のモデルを用いて束縛エネルギー$E_{\rm bind}$を評価し、$\lambda$値が寄与星の質量および構造に応じて0.01から1の範囲で変動することを示す。
• 再結合エネルギーおよび断熱的流出の役割を検討し、有効な$\alpha$値が負または100以上に達することを示す。
• 流体力学的シミュレーションをレビューし、特に動的潜り込み段階および自己調整的スパイラルイン段階を含むCEイベント全体のモデリング可能性を評価する。
• 事前CE質量損失（例えば風や超Eddington降着によるもの）が、包層質量を減少させ、結果として$\lambda$および$\alpha$に影響を与える可能性を検討する。
• 残渣コア質量の定義が$\lambda$に顕著に影響することを提案し、採用するコア境界に応じて最大2桁の変動が生じうることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ$\alpha\lambda$および$\gamma$形式主義は観測された共通エンベロープ後の二重星集団を再現できないのか？
• RQ2 コア質量の定義の選択が、共通エンベロープ進化における$\lambda$値にどのように影響するのか？
• RQ3 再結合エネルギーまたは断熱的流出といった物理的過程が、有効な$\alpha$値を1を超える、あるいは負の値にする理由は何か？
• RQ4 なぜ多くの現実的なCE状況において$\alpha \leq 1$という仮定が無効となるのか？
• RQ5 包層の噴出を保証するには$E_{\rm bind}$に等しいエネルギーを供給すれば十分なのか、それ以外の条件が必要なのか？

主な発見

• $\gamma$形式主義は、二重白色矮星の形成を再現する場合にのみ有効であり、一般の二重星に一般化することはできない。これは、特定の観測結果から逆算して導かれたものであるためである。
• $\alpha\lambda$形式主義は、普遍的に適用すると失敗する。$\lambda$は寄与星の進化状態やコアの定義に応じて最大2桁の変動を示す。
• 再結合エネルギーは負の$\lambda$値を生じさせ、標準的なエネルギー予算仮定を無効にする。
• 包層の噴出を保証するには、$E_{\rm bind}$に等しいエネルギーを供給するだけでは不十分である。自己調整的スパイラルイン段階のような他の物理的条件も必要である。
• 爆発的噴出状況では、特に質量の大きな巨星や顕著な事前CE質量損失を伴う系において、有効な$\alpha$値が100を上回る場合がある。
• 自己調整的スパイラルイン段階では、$\alpha$値が0.4から3の範囲で変動し、系の力学的特性およびエネルギー散逸の度合いに強く依存することが示された。