[論文レビュー] The Formation and Evolution of Multiple Star Systems

S. J. Aarseth, Rosemary A. Mardling|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、原始二重星を伴うN体シミュレーションを用いて、星団内の階層的多重星系の形成および長期的進化をモデル化する。外側の同伴星による偏心率の増幅を追跡するための平均化された長期間的モデルを導入し、高い誘導偏心率が潮汐的円形化と顕著な軌道収縮を引き起こし、Gyrスケールで近接二重星が形成されることを示している。

ABSTRACT

Multiple systems play an important role in the evolution of star clusters. First we discuss several formation mechanisms which depend on the presence of binaries, either primordial or of dynamical origin. Hierarchical configurations are often stable over long times and yet may experience evolution of the internal orbital parameters. We describe an attempt to model the eccentricity change induced by the outer component using an averaging method, together with the effects due to tidal dissipation and apsidal motion acting on the inner binary. This treatment is adopted for systems with high induced eccentricity which gives rise to some interesting outcomes of significant period shrinkage.

研究の動機と目的

• 原始二重星割合が顕著な星団における階層的多重星系の形成および進化を理解すること。
• 外側の同伴星が内側二重星の偏心率および軌道進化に及ぼす動的影響をモデル化すること。
• 潮汐散逸、軸対称運動、相対論的歳差が内側二重星の軌道収縮に果たす役割を調査すること。
• 多重系の長期的安定性および進化経路（Roche極限の超過や共通エンvelope段階を含む）を評価すること。
• 軌道傾きを有する階層的三重星系における偏心率変調をシミュレートするための長期間的平均化手法を開発すること。

提案手法

• 単一星8,000個と原始二重星2,000個を用いたN体シミュレーション。初期状態は半長径が240 AUまで平坦な対数分布をとる。
• 強い相互作用および近接二重星を正確に扱うために、Kustaanheimo-Stiefel (KS) 正則化およびチェーン正則化を採用。
• 外軌道の時間平均的効果をモデル化するため、四重項次数の長期間的近似を適用。これにより、内側二重星の偏心率および角運動量の変化を記述。
• 内側二重星の進化に、潮汐散逸、星の扁平度に起因する軸対称運動、相対論的歳差を組み込む。
• 近接二重星における質量損失、半径変化、Roche極限の超過を追跡するため、合成的星の進化モデルを用いる。
• 潮汐的円形化に伴うスピン進化をHutの理論により実装。全角運動量の保存を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始二重星割合が顕著な星団において、階層的多重星系はどのように形成されるか？
• RQ2 外側の同伴星が内側二重星の偏心率を高める動的機構は何か？
• RQ3 誘導偏心率に起因する潮汐散逸が、軌道収縮および近接二重星形成にどの程度寄与するか？
• RQ4 軸対称運動および相対論的歳差は、階層的系における偏心内側二重星の進化にどのように影響するか？
• RQ5 多重系の長期的進化経路（Roche極限の超過や共通エンベロープ段階を含む）は何か？

主な発見

• 二重星同士の衝突を通じて階層的三重星系が安定的に形成され、8,000個の単一星および2,000個の二重星を含むシミュレーションで1 Gyr後に少なくとも10個の安定三重星系が存在する。
• 高い偏心率および好都合な軌道傾きを有する外側同伴星は、内側二重星の偏心率をe ≈ 0.993まで引き上げ、顕著な潮汐効果を引き起こす。
• 12 Myrにわたり、内側二重星の周期を1977日から1.1日へ短縮。さらに2 Myrの円形化を経て、最終周期は0.6日となった。
• 初期周期1977日、e = 0.83の系は、二度の二重星同士の衝突と二度の円形化段階を経て、重力波減衰により最終周期0.001日（約14分）にまで短縮された。
• 後続段階の共通エンベロープ進化により、最終的に半長径1太陽半径、周期0.1日の白色矮星二重星が形成された。
• 長期間的偏心率増幅と潮汐散逸の組み合わせが顕著な軌道収縮を引き起こし、Gyrスケールで近接二重星が形成される仕組みを説明できる。