[论文解读] Formation of undermassive single white dwarfs and the influence of planets on late stellar evolution

G. Nelemans, Thomas M. Tauris|arXiv (Cornell University)|May 31, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 15

一句话总结

本文提出，当一颗类太阳恒星在其演化进入红巨星分支阶段时，若其轨道上存在一颗大质量行星或棕矮星，该行星可能被捕获，从而触发共有包层阶段，导致包层被抛射，最终留下一个低质量的氦核心，形成低质量单白矮星（欠质量白矮星）。关键结果表明，行星在向内螺旋过程中发生的蒸发或洛希瓣溢出，可产生孤立的欠质量白矮星，其质量范围为0.20–0.45 M☉，与观测到的WD 1353+409和WD 1614+136等系统一致。

ABSTRACT

We propose a scenario to form low-mass, single, slow rotating white dwarfs from a solar-like star accompanied by a massive planet, or a brown dwarf, in a relatively close orbit (e.g. HD 89707). Such white dwarfs were recently found by Maxted & Marsh (1998). When the solar-like star ascends the giant branch it captures the planet and the subsequent spiral-in phase expels the envelope of the giant leaving a low-mass helium white dwarf remnant. In case the planet evaporizes, or fills its own Roche-lobe, the outcome is a single undermassive white dwarf. The observed distribution of planetary systems supports the applicability of this scenario.

研究动机与目标

• 解释无法通过标准单星演化形成的单个低质量白矮星（欠质量，<0.5 M☉）的起源。
• 解决合并模型（预测高速旋转）与观测结果（低旋转，v sin i < 50 km s⁻¹）之间的矛盾。
• 研究轨道上存在大质量行星或棕矮星的恒星是否能通过共有包层抛射形成孤立的低质量白矮星残骸。
• 评估行星诱导的共有包层演化作为欠质量白矮星形成替代于双星合并情景的可行性。

提出的方法

• 使用能量平衡模型模拟共有包层阶段：轨道能量损失驱动包层抛射，效率参数ηce = 4，λ = 0.5。
• 利用能量平衡方程计算最终轨道分离距离：af ≈ (ηceλ/2)(Mcore/mp)(Menv/M)Rg，假设Mcore ≪ Menv。
• 通过声速与逃逸速度比较估算行星蒸发：cs² ≈ 2Gmp/(αrp)，温度分布为T ≈ 1.78×10⁶ K (r/R☉)⁻⁰·⁸⁵。
• 基于包层温度和行星大小，确定临界行星质量（mcrit），低于此质量时蒸发发生在向内螺旋过程中。
• 通过引力波辐射导致的轨道衰减 timescale 评估洛希瓣溢出，要求tGW < 5 Gyr以实现破坏。
• 利用观测到的系外行星系统（如HD 89707、HD 140913）作为测试案例，在质量-周期空间中映射结果（抛射、蒸发、破坏）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类太阳恒星周围存在大质量行星或棕矮星的近距离轨道上，是否可通过共有包层抛射形成单个低质量白矮星？
• RQ2 决定行星在向红巨星包层内螺旋过程中蒸发、存活或被破坏的质量与轨道周期阈值是什么？
• RQ3 行星蒸发或洛希瓣溢出如何影响最终白矮星的质量与自转特性？
• RQ4 该行星诱导的共有包层情景是否与观测到的欠质量白矮星（如WD 1353+409和WD 1614+136）一致，特别是其低自转速度？
• RQ5 在已知的亚恒星天体探测极限下，该机制能否解释观测到的单个欠质量白矮星中缺乏伴星的现象？

主要发现

• 行星在向红巨星包层内螺旋过程中发生蒸发，可导致整个包层被抛射，最终留下一个单个、低质量的氦白矮星残骸，质量范围为0.20至0.45 M☉。
• 对于初始质量低于约15 MJ的行星，蒸发发生在显著轨道衰减之前，导致形成单个欠质量白矮星，且角动量转移极小。
• 质量介于15至25 MJ之间的行星预计会填满其洛希瓣并在螺旋过程中被破坏，从而阻止稳定伴星的存在。
• 质量超过约25 MJ的行星可存活通过共有包层阶段，但可能因引力波辐射而后期发生螺旋内陷，当初始周期小于10–20天时，破坏时间尺度<5 Gyr。
• 该情景成功解释了WD 1353+409和WD 1614+136的低观测自转速度（v sin i < 50 km s⁻¹），因为角动量被转移至抛射的包层。
• HD 89707和HD 140913被识别为最有可能形成此类单个欠质量白矮星的观测系统，因其行星质量与轨道周期匹配理想。