[论文解读] Close binary evolution I. The tidally induced shear mixing in rotating binaries

Hanfeng Song, A. Maeder+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 31被引用 28

一句话总结

本文研究了密近双星系统中潮汐诱导的剪切混合（TISM），表明潮汐作用可导致恒星自转减慢或加快，从而引发强烈的内部差速旋转并实现高效的化学元素混合。关键结果是，TISM 显著增强了质量转移前的氮表面富集，而大尺度环流则抵消了潮汐效应，使同步化 timescale 超出标准估计值。

ABSTRACT

We study how tides in a binary system induce some specific internal shear mixing, able to substantially modify the evolution of close binaries prior to mass transfer. We construct numerical models accounting for tidal interactions, meridional circulation, transport of angular momentum, shears and horizontal turbulence and consider a variety of orbital periods and initial rotation velocities. Depending on orbital periods and rotation velocities, tidal effects may spin down (spin down Case) or spin up (spin up Case) the axial rotation. In both cases, tides may induce a large internal differential rotation. The resulting tidally induced shear mixing (TISM) is so efficient that the internal distributions of angular velocity and chemical elements are greatly influenced. The evolutionary tracks are modified, and in both cases of spin down and spin up, large amounts of nitrogen can be transported to the stellar surfaces before any binary mass transfer. Meridional circulation, when properly treated as an advection, always tends to counteract the tidal interaction, tending to spin up the surface when it is braked down and vice versa. As a consequence, the times needed for the axial angular velocity to become equal to the orbital angular velocity may be larger than given by typical synchronization timescales. Also, due to meridional circulation some differential rotation remains in tidally locked binary systems.

研究动机与目标

• 理解密近双星中潮汐相互作用如何诱导剪切混合并影响恒星演化。
• 考察大尺度环流在抵消潮汐制动或加速中的作用。
• 量化潮汐诱导的差速旋转对角动量输运和化学元素混合的影响。
• 评估 TISM 的可观测后果，特别是氮表面富集和自转演化。
• 通过引入基于输运的环流模型，改进同步化 timescale 的估计。

提出的方法

• 数值模拟密近双星演化，包含潮汐相互作用、大尺度环流、角动量输运和剪切混合。
• 通过基于 Toledano 等（2007）的湍流黏性模型引入潮汐制动，其中 $\tau_{\mathrm{sync,turb}} \propto q^{-2}(R/a)^{-6}$。
• 采用基于输运的环流模型而非扩散近似，以正确模拟角动量输运。
• 模拟水平方向湍流及其在增强剪切混合效率中的作用。
• 对比不同初始轨道周期和自转速度下，包含与不包含潮汐效应的演化轨迹。
• 分析表面丰度演化、内部自转分布和同步化 timescale。

实验结果

研究问题

• RQ1 潮汐相互作用如何影响密近双星中恒星的轴向自转？是否导致自转加快或减慢？
• RQ2 潮汐诱导的剪切混合（TISM）在多大程度上改变角速度和化学元素在内部的分布？
• RQ3 当大尺度环流被视作输运过程时，它如何影响对潮汐制动或加速的响应？
• RQ4 TISM 对罗姆洛布溢出（RLOF）前的氮表面富集有何影响？
• RQ5 当引入基于输运的环流时，与标准扩散模型相比，同步化 timescale 如何变化？

主要发现

• 潮汐相互作用可导致恒星表面自转减慢或加快，具体取决于初始条件，从而引发强烈的内部差速旋转。
• 潮汐诱导的剪切混合（TISM）效率极高，导致质量转移前恒星表面显著富集氮元素。
• 大尺度环流始终抵消潮汐效应，减缓同步化进程，延长达到 $\Omega = \omega_{\rm orb}$ 所需时间。
• 在自转加快和减慢两种情况下，TISM 均导致表面氮丰度增强，且在自转减慢情况下，初始轨道周期越长，效果越显著。
• 即使在潮汐锁定系统中，由于大尺度环流的抵消作用，差速旋转仍持续存在。
• 当正确考虑基于输运的环流时，达到自转同步的 timescale 可能超过标准估计值。