[论文解读] Binary Evolution Leads to Two Populations of White Dwarf Companions

David S. Spiegel|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出，恒星在主序后演化过程中的双星演化自然会产生两类白矮星伴星：一类是在经历共包层阶段后处于短周期轨道的伴星，另一类是避免该阶段而处于长周期轨道的伴星。关键结果是，由于潮汐不稳定性与共包层动力学，这两类伴星之间存在一个预测的轨道周期间隙。

ABSTRACT

Planets and other low-mass binary companions to stars face a variety of potential fates as their host stars move off the main sequence and grow to subgiants and giants. Stellar mass loss tends to make orbits expand, and tidal torques tend to make orbits shrink, sometimes to the point that a companion is directly engulfed by its primary. Furthermore, once engulfed, the ensuing common envelope (CE) phase can result in the companion becoming fully incorporated in the primary's envelope; or, if the companion is massive enough, it can transfer enough energy to eject the envelope and remain parked in a tight orbit around the white dwarf core. Therefore, ordinary binary evolution ought to lead to two predominant populations of planets around white dwarfs: those that have been through a CE phase and are in short-period orbits, and those that have entirely avoided the CE and are in long-period orbits.

研究动机与目标

• 理解低质量伴星在恒星主序后演化过程中的动力学命运。
• 研究潮汐力与共包层（CE）演化如何塑造白矮星伴星的轨道分布。
• 通过建模稳定轨道扩张与潮汐向内坠落之间的转变，解释白矮星伴星观测到的双峰分布。
• 通过标准双星演化路径评估类地行星大小的行星系统（如KOI-55中的亚矮B星）的可行性。
• 确定白矮星周围的行星系统是否可通过原位形成，或必须在先前的恒星演化中幸存下来。

提出的方法

• 建模主星在主序后演化过程中因膨胀而引起的双星系统中的潮汐力矩演化。
• 分析由于恒星质量损失导致的轨道向外扩张向主星转动惯量增加后导致的向内坠落的转变。
• 应用共包层（CE）能量预算分析，以确定伴星是否能够幸存并驱散包层。
• 利用轨道稳定性和N体动力学考虑，评估类似KOI-55中多颗内侧行星系统的可能性。
• 评估科兹艾迁移与共振捕获作为形成紧密轨道伴星的替代路径的作用。
• 将理论轨道周期分布与白矮星伴星及系外行星巡天的观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么决定了低质量伴星在恒星演化过程中是否能幸存共包层阶段，或是否会在潮汐作用下被破坏？
• RQ2 为什么白矮星伴星之间存在预测的轨道周期间隙？其物理机制是什么？
• RQ3 KOI-55周围类地行星大小的候选体能否通过标准双星演化解释，还是需要奇异的形成机制？
• RQ4 在恒星质量损失与潮汐演化过程中，伴星在何种条件下可避免被吞噬并保持在长周期轨道上？
• RQ5 潮汐不稳定性与主星转动惯量的变化如何影响子星在亚巨星与红巨星阶段的轨道演化？

主要发现

• 当膨胀恒星的转动惯量增加时，潮汐力矩可从向外迁移转变为快速向内坠落，导致近距离伴星被吞噬。
• 成功通过共包层阶段的伴星预计处于短周期轨道，而避免该阶段的伴星则保留在长周期轨道，从而形成双峰分布。
• 由于共包层阶段中中间轨道的不稳定性，这两类伴星之间预测存在轨道周期间隙。
• 质量小于约6木星质量的行星极不可能幸存或驱散包层，因此通过标准共包层演化进入紧密轨道的可能性极低。
• KOI-55周围类地大小的行星很可能并非通过标准共包层演化形成，因为其低质量无法提供足够的能量来剥离包层。
• 替代情景，如大质量核心的潮汐破坏，或通过科兹艾机制在共包层后迁移，更可能解释KOI-55行星的当前轨道。