[论文解读] Hot Jupiter engulfment by a red giant in 3D hydrodynamics

Mike Y. M. Lau, Matteo Cantiello+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究通过3D流体动力学模拟，研究了一颗1 $M_{\rm{J}}$ 的热木星被1 $M_{\odot}$ 红巨星吞噬的过程，将行星建模为多级指数为 $n = 3$ 的多级气体球体。模拟结果表明，约90%的行星质量在对流包层中被剥离，表面锂含量提升约0.1 dex，同时伴随适度的自转加速（约1 km s$^{-1}$），并存在由复合加热或阻力加热引发的瞬时光学爆发的可能性。

ABSTRACT

Hot Jupiters are gas giant planets with orbital periods of a few days and are found in 0.1-1% of Sun-like stars. They are expected to be engulfed during their host star's radial expansion on the red giant branch, which may account for observed rapidly rotating and chemically enriched giant stars. We performed 3D hydrodynamical simulations of hot Jupiter engulfment by a 1 solar mass, 4 solar radii early red giant. Our 'global' simulations simultaneously resolve the stellar envelope and planetary structure, modelling the hot Jupiter as a polytropic gas sphere. The hot Jupiter spirals in due to ram-pressure drag. A substantial fraction of its mass is continuously ablated in this process, although the mass-loss rate is resolution dependent. We estimate that this could enhance the surface lithium abundance by up to 0.1 dex. The hot Jupiter is disrupted by a combination of ram pressure and tidal forces near the base of the convective envelope, with the deepest material penetrating to the radiative zone. The star experiences modest spin-up (~ 1 km/s), and engulfing a more massive companion may be required to produce a rapidly rotating giant. Drag heating near the surface and hydrogen recombination in the small amount of unbound ejecta recorded in the simulation could power an optical transient, although this needs to be confirmed by a calculation that has adequate resolution at the stellar surface.

研究动机与目标

• 模拟热木星被红巨星吞噬的完整3D流体动力学过程，同时解析恒星与行星的结构。
• 量化行星吞噬过程中质量剥离、角动量转移及化学元素富集的程度。
• 评估可观测特征（如表面锂增强、恒星自转加速及明亮瞬变）的潜在性。
• 评估数值分辨率和加热效应对结果稳健性的影响。
• 探讨行星吞噬是否可解释锂富集及快速旋转的巨星现象。

提出的方法

• 采用光滑粒子流体动力学（SPH）代码进行3D流体动力学模拟，研究1 $M_{\odot}$ 红巨星与1 $M_{\rm{J}}$ 热木星之间的相互作用。
• 将热木星建模为多级指数 $n = 3$ 的多级气体球体，实现其内部结构与剥离过程的自洽处理。
• 模拟全局解析恒星包层与行星内部结构，捕捉吞噬过程中所受的阻力压、潮汐力及对流混合效应。
• 主星初始结构基于MESA恒星演化模型，初始半径为4 $R_{\odot}$，对流包层延伸至约0.8 $R_{\odot}$。
• 模拟追踪质量损失、角动量沉积与能量耗散过程，并监测表面元素富集与旋转速度变化。
• 开展分辨率测试，评估在擦边阶段质量剥离与加热过程的收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 热木星在穿越红巨星对流包层的过程中，其质量被剥离的程度如何？
• RQ2 行星物质混合导致的表面锂及其他元素的富集程度如何？
• RQ3 有多少角动量被转移至恒星，导致包层自转速度提升多少？
• RQ4 通过阻力加热或复合过程耗散的能量是否足以产生可探测的光学瞬变？
• RQ5 结果对数值分辨率的依赖性如何，特别是在早期擦边阶段？

主要发现

• 约90%的热木星质量在对流包层中被剥离，其中大部分物质混合进入外层。
• 表面锂含量提升约0.1 dex，但鉴于疏散星团中固有的变化范围，该增强不具统计显著性。
• 恒星经历适度自转加速，包层整体旋转速度达约1 km s$^{-1}$，与角动量守恒一致。
• 最大表面自转速度与被吞噬天体质量呈线性关系，对于10 $M_{\rm{J}}$ 的伴星，可达到约10 km s$^{-1}$。
• 靠近表面的阻力加热可能超过未受扰动恒星的原始光度，或可驱动明亮瞬变现象。
• 少量未束缚喷射物质（约10$^{-5}$ $M_{\odot}$）可能引发由复合过程驱动的瞬变，其光度在数天内可达吞噬前水平的约10倍。