[论文解读] Hydrodynamics and survivability during post-main-sequence planetary engulfment

Ricardo Yarza, Naela Razo Lopez+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2022

Astro and Planetary Science被引用 4

一句话总结

本研究利用三维流体动力学模拟，对质量为 $1M_{\bigodot}$ 的大质量恒星演化过程中对亚恒星天体（行星与棕矮星）的吞没过程进行建模，将伴星视为刚性、反射性天体以捕捉流体动力学特征。研究发现，行星吞没可使恒星的光度提升几个数量级，且质量约为 ~10 $M_{\text{Jup}}$ 的伴星可在红巨星分支顶端将恒星包层抛射出去，拖曳力与轨道衰减由可测量的拖曳系数所决定。

ABSTRACT

Data to reproduce the results of Yarza et al. 2022 (submitted to ApJ). For the main reproducibility repository, see https://gitlab.com/ryarza/planetary-engulfment-hydro After downloading all the files, run unpack.py to extract them. The script will also put all grid2 files into the correct folder structure. As a result of size limitations, this repository contains only the hydrodynamical simulations used in the figures in the paper. Simulations at other times or for other parameters are available upon request.

研究动机与目标

• 研究亚恒星天体（SBs）在大质量恒星演化后期吞没过程中的流体动力学行为及其存活能力。
• 量化嵌入恒星包层中的SB所受的拖曳力——动压阻力与引力拖曳力。
• 模拟吞没过程中的轨道衰减与能量转移，以评估光度增强潜力与包层抛射可能性。
• 利用 FLASH 代码开发数值框架，模拟三维流体动力学中刚性、反射性SB周围的流场形态。
• 推导出最小SB质量与恒星半径之间的经验标度律，以确定包层抛射所需的最小质量。

提出的方法

• 使用 FLASH 4.6.2 代码，结合自适应网格加密技术，对质量为 $1M_{\bigodot}$ 的大质量恒星中嵌入的刚性、反射性亚恒星天体（SB）进行三维流体动力学模拟。
• 将SB建模为非吸积、不可穿透的物体，并采用反射边界条件以捕捉类似外流的流场形态。
• 在不同分辨率下，从流体动力学模拟中测量时间平均拖曳系数（$C_p$ 表示动压阻力，$C_g$ 表示引力拖曳力）。
• 利用随时间变化的拖曳力与轨道内质量演化，积分SB的运动方程。
• 结合测量得到的拖曳系数与轨道能量演化，计算轨道衰减 timescales 与包层抛射阈值。
• 对模拟结果进行拟合，得出包层抛射所需最小SB质量的经验公式，以及其在不同恒星半径下低于对流区基底的存活条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 动压阻力与引力拖曳力如何影响亚恒星天体在恒星吞没过程中的轨道衰减？
• RQ2 行星吞没可在多大程度上提升 $1M_{\bigodot}$ 大质量恒星的光度？其恢复至平静状态需要多长时间？
• RQ3 在不同演化阶段，使 $1M_{\bigodot}$ 恒星包层抛射所需的亚恒星天体最小质量是多少？
• RQ4 亚恒星天体能否在吞没过程中存活？其在对流区以下存活的条件是什么？
• RQ5 当亚恒星天体为刚性反射体与自由吸积体时，其周围流体动力学结构有何不同？

主要发现

• 由于轨道衰减导致的能量耗散，吞没过程可使 $1M_{\bigodot}$ 恒星的光度提升几个数量级。
• 当恒星达到约 ~10 $R_{\bigodot}$ 时，光度恢复至原始水平所需时间最长，可达约 ~3,000 年；而在红巨星分支顶端，该时间可短至约 ~30 年。
• 若仅依赖轨道能量作为抛射源，则在恒星半径达到 ~10 $R_{\bigodot}$ 之前，任何SB均无法抛射包层；包层抛射仅在后续演化阶段才可能实现。
• 质量约为 ~10 $M_{\text{Jup}}$ 的亚恒星天体可在红巨星分支顶端抛射包层，此时恒星已膨胀至约 ~190 $R_{\bigodot}$。
• 包层抛射所需最小SB质量随恒星半径变化，已推导出经验公式，其与模拟数据在 $11.45 \leq R_{\star}/R_{\odot} \leq 193.7$ 范围内拟合精度达 1.1%。
• 低于对流区基底的存活所需最小SB质量由对数公式预测，与模拟数据在 $2 \leq R_{\star}/R_{\odot} \leq 193.7$ 范围内拟合精度为 7.9%。