[论文解读] Faint intermediate luminosity optical transients (ILOTs) from engulfing exoplanets on the Hertzsprung gap

Omer Gurevich, Ealeal Bear+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 96被引用 11

一句话总结

本文提出，低质量恒星在赫罗图间隙附近吞没系外行星，可通过公共包层演化产生微弱的中等光度光学暂现源（ILOT）。利用MESA双星模拟，作者基于已知的ILOT V1309 Sco，对亮度和持续时间进行缩放，估算得出木星质量的行星将产生持续数天、亮度约为太阳6,000倍的ILOT，其亮度低于经典新星水平，为研究公共包层阶段的并合物理提供了更简单的探针。

ABSTRACT

We follow the evolution of four observed exoplanets to the time when the respective parent star of each planet evolves off the main sequence and engulfs its planet to start a common envelope evolution (CEE), concluding that in each case this process powers an intermediate luminosity optical transient (ILOT; luminous red nova). We characterise the final thousands of days of the orbital decay towards a CEE and determine the properties of the star at the onset of the CEE. We scale the properties of the ILOT V1309 Scorpii to the properties of a planet that enters a CEE inside a star on and near the Hertzsprung gap to estimate the duration and luminosity of the expected ILOT. Based on these we estimate that for a planet of Jupiter mass the ILOT will last for several days and reach a luminosity of several thousand solar luminosity. This type of ILOTs are less luminous than classical novae. Because of the small amount of expected dust and the small amount of energy that an accretion process onto the planet can release, such ILOTs can teach us on the merger at the onset of CEE of stellar companions. Our study adds to the variety of ILOTs that planets can power as they interact with a more massive companion.

研究动机与目标

• 探究低质量恒星在赫罗图间隙附近吞没系外行星是否能驱动可观测的中等光度光学暂现源（ILOT）。
• 对四组已观测到的系外行星系统（恒星质量 >0.85 M☉）进行最终轨道衰减和公共包层演化（CEE）阶段的建模。
• 通过从研究充分的ILOT V1309 Sco进行缩放，估算行星驱动的CEE产生的ILOT的亮度和持续时间。
• 探讨此类微弱、短暂的ILOT作为并合物理更简单探针的潜力，相较于由恒星双星驱动的ILOT。
• 评估行星驱动ILOT的可探测性及观测特征，特别是其低尘含量和高透明度。

提出的方法

• 使用MESA-binary恒星演化代码模拟四组系外行星系统的演化，重点关注初始质量 >0.85 M☉ 的恒星。
• 追踪轨道衰减过程，直至行星的近日点距离低于恒星半径，标志着公共包层演化（CEE）的开始。
• 应用来自ILOT V1309 Sco的缩放关系，利用其观测到的轨道衰减曲线（P = A exp(B/(t−t₀))) 模拟CEE前最后10,000天的演化。
• 通过能量和扩散 timescale 的论证估算ILOT的亮度和 timescale：τILOT ≈ 3 (Mp/MJ)¹ᐟ² (κ/1 cm²/g⁻¹)¹ᐟ² (∆rs/0.3rs)¹ᐟ² (vs/200 km s⁻¹)⁻¹ᐟ² 天。
• 假设球对称喷射物，并利用辐射扩散时间 tdiff ≈ 55 (Mej/0.05M⊙)(κ/1 cm²/g⁻¹)(rs/5×10¹³ cm)⁻¹(∆rs/0.3rs) 天来估算亮度。
• 通过缩放总辐射能量 Erad ≈ 6×10⁴² (Mp/MJ) erg，并利用 LILOT = Erad / τILOT 推导出亮度 LILOT ≈ 6,000 (Mp/MJ)¹ᐟ² L☉。

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量恒星在赫罗图间隙附近吞没系外行星是否能产生可观测的ILOT？
• RQ2 与经典新星相比，行星驱动的公共包层演化产生的ILOT预期亮度和持续时间如何？
• RQ3 行星驱动CEE产生的ILOT的物理特性与由恒星伴星驱动的ILOT有何不同？
• RQ4 V1309 Sco ILOT在多大程度上可作为估算低质量行星伴星产生ILOT的缩放模板？
• RQ5 哪些观测特征（如光变曲线形状、尘埃含量、透明度）可将行星驱动的ILOT与其他暂现源区分开？

主要发现

• 对四组宿主恒星质量 >0.85 M☉ 的已观测系外行星系统进行模拟，结果表明其演化可到达公共包层演化（CEE）的起始阶段，确认吞没事件发生于赫罗图间隙附近。
• CEE前最后10,000天的轨道衰减曲线与ILOT V1309 Sco高度相似，验证了其缩放参数的适用性。
• 对于木星质量的行星，估算的ILOT持续时间约为3天，亮度约为6,000 L☉，其亮度和总能量输出均低于经典新星。
• 总辐射能量估算约为 ~6×10⁴² erg（木星质量行星），仅占轨道能量的极小部分（约10⁻⁴），与微弱暂现源行为一致。
• 由于喷射物质量较低且尘埃含量减少，行星驱动的ILOT预计比恒星双星驱动的ILOT更透明、更少遮挡，有利于辐射更早扩散。
• 这些微弱、短暂的ILOT为研究公共包层演化物理提供了更简单的系统，因其不包含恒星双星并合中常见的吸积能量和喷流形成机制。