[论文解读] Eccentric Orbits of close Companions to Asymptotic Giant Branch Stars

Noam Soker|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 9

一句话总结

本文提出，渐近巨星支（AGB）双星系统中高轨道偏心率（e ≲ 0.4）的形成源于近日点通过期间增强的质量流失，该过程可抵消潮汐圆化作用。该模型解释了如红矩形星云等天体中观测到的轴对称偏离现象，为替代外部盘机制提供了依据，而后者因内盘质量不足而被排除。

ABSTRACT

I propose that the relatively high eccentricity found in some tidally strongly interacting binary systems, where the mass-losing star is an evolved giant star, e.g., an asymptotic giant branch star, is caused by an enhanced mass loss rate during periastron passages. Tidal interaction by itself will circularize the orbits of these systems in a relatively short time, hence a mechanism which increases the eccentricity on a shorter time scale is required. The proposed scenario predicts that the nebula formed by the mass loss process possesses a prominent departure from axisymmetrical structure. Such a departure is observed in the Red Rectangle, which has a central binary system, HD 44179, with an orbital period of 318 days, and an eccentricity of e=0.38.

研究动机与目标

• 解释在强潮汐力作用下本应快速圆化的潮汐相互作用AGB双星系统中，为何仍能维持高轨道偏心率（e ≲ 0.4）的原因。
• 挑战主流的外部盘机制对偏心率激发的解释，该机制要求存在质量巨大的内盘，而这一假设在后AGB系统中缺乏观测支持。
• 提出一种替代机制——近日点处增强的质量流失，其作用 timescale 比潮汐圆化更短，可有效提升偏心率。
• 将所提机制与观测到的非轴对称星云（如红矩形）联系起来，这些星云表现出明显的非轴对称特征。
• 提出可检验的预测：具有非轴对称星云的系统应表现出高偏心率，尤其是当质量流失与近日点相位锁定时。

提出的方法

• 基于平衡潮汐模型（Zahn 1977, 1989）推导出的潮汐圆化与锁定 timescale，结合AGB恒星结构的修正参数。
• 应用因各向异性质量流失导致偏心率演化的方程，表明近日点处增强的赤道质量流失可提高偏心率。
• 估算圆化 timescale τ_circ ≈ 1.2×10⁴ yr（标准参数下），表明其足够短，可迅速实现轨道圆化。
• 将所提机制与外部盘机制（Artymowicz & Lubow 1994）进行比较，后者要求在约6a范围内存在足够质量的盘以激发偏心率。
• 评估已知系统（如HD 44179、89 Herculis）中的内盘质量，发现其小于10⁻⁴ M☉，不足以通过盘相互作用维持显著的偏心率增长。
• 预测近日点处增强的质量流失将导致非轴对称星云，因质量抛射在每个轨道周期中均发生在相同相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何一些与AGB恒星相关的密近双星系统尽管存在强潮汐相互作用，仍能维持高轨道偏心率（e ≲ 0.4）？
• RQ2 在观测到的盘质量下，外部盘机制能否解释后AGB双星中的观测偏心率？
• RQ3 近日点通过期间增强的质量流失是否可作为偏心率激发的可行替代机制？
• RQ4 哪些观测特征可将增强近日点质量流失模型与外部盘模型区分开来？
• RQ5 为何一些星云（如红矩形）表现出强烈的非轴对称性？

主要发现

• 典型AGB双星的潮汐圆化 timescale 很短（约10⁴ yr），意味着除非存在偏心率增加机制，否则偏心率将迅速衰减。
• 外部盘机制难以解释观测系统中的高偏心率，因为双星周围~6a范围内的质量过低（<10⁻⁴ M☉），导致偏心率增长 timescale 过长。
• 近日点处增强的质量流失可在比潮汐圆化更短的 timescale 内提升偏心率，因此是维持高e的可行机制。
• 该模型预测，此类系统形成的星云将表现出显著的非轴对称性，因为质量流失与近日点相位锁定，导致非对称抛射模式。
• 红矩形星云（已知双星偏心率e = 0.38，且星云非轴对称）为所提机制提供了强有力的观测支持。
• 该模型预测，其他非轴对称星云（如AFGL 4106周围的星云）很可能也包含高偏心率双星，但需待轨道测量结果确认。