[论文解读] Star-planet interactions: II. Is planet engulfment the origin of fast rotating red giants?

Giovanni Privitera, G. Meynet+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 40被引用 5

一句话总结

本文研究了红巨星吞噬行星是否能解释某些演化恒星中观测到的快速表面自转。通过包含潮汐相互作用、角动量输运及吞噬后动力学的旋转恒星模型，作者表明，行星吞噬可使恒星表面自转速度提升至观测值（最高达8 km s⁻¹），且这一状态可持续超过红巨星分支阶段的30%，使自转加速成为此类相互作用最清晰的观测特征。

ABSTRACT

Context. Fast rotating red giants in the upper part of the red giant branch have surface velocities that cannot be explained by single star evolution. Aims. We check whether tides between a star and a planet followed by planet engulfment can indeed accelerate the surface rotation of red giants for a sufficient long time in order to produce these fast rotating red giants. Methods. Using rotating stellar models, accounting for the redistribution of the angular momentum inside the star by different transport mechanisms, for the exchanges of angular momentum between the planet orbit and the star before the engulfment and for the deposition of angular momentum inside the star at the engulfment, we study how the surface rotation velocity at the stellar surface evolves. Results. We show that the surface velocities reached at the end of the orbital decay due to tidal forces and planet engulfment can be similar to values observed for fast rotating red giants. This surface velocity then decreases when the star evolves along the red giant branch but at a sufficiently slow pace for allowing stars to be detected with such a high velocity. More quantitatively, star-planet interaction can produce a rapid acceleration of the surface of the star, above values equal to 8 km s$^{-1}$, for periods lasting up to more than 30% the red giant branch phase. The changes of the surface carbon isotopic ratios produced by the dilution of the planetary material into the convective envelope is quite modest. Much more important might be the increase of the lithium abundance due to this effect. However lithium may be affected by many different, still uncertain, processes. Conclusions. The acceleration of the stellar surface to rotation velocities above limits that depend on the surface gravity does appear at the moment as the clearest signature of a star-planet interaction.[abridged]

研究动机与目标

• 确定行星吞噬是否能产生某些红巨星中观测到的高表面自转速度。
• 量化此类快速自转在吞噬后持续的时间。
• 评估表面速度的增加是否可能触发内部混合或其他可观测特征。
• 评估在潮汐衰减和吞噬过程中，行星轨道角动量向恒星的转移作用。

提出的方法

• 使用日内瓦恒星演化代码计算恒星演化模型，包含旋转及角动量输运机制。
• 对潮汐力和轨道衰减进行建模，包括恒星与行星质量的变化、摩擦阻力与引力阻力，以及潮汐耦合。
• 在轨道衰减阶段计算行星轨道与恒星内部之间的角动量交换。
• 利用详细的输运模型模拟行星角动量在吞噬过程中沉积到恒星包层的过程。
• 模型覆盖恒星质量1.5至2.5 M⊙，行星质量1至15 MJ，初始轨道距离0.5至1.5 AU，金属丰度Z = 0.02。
• 计算演化轨迹以追踪表面自转速度、快速自转持续时间及吞噬后的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 行星吞噬能否产生与快速旋转红巨星观测一致的表面自转速度？
• RQ2 吞噬后增强的表面自转持续多长时间？
• RQ3 在潮汐衰减与吞噬过程中，角动量转移是否显著改变恒星的自转结构？
• RQ4 表面速度的增加是否可能触发内部混合或其他可探测变化？
• RQ5 除快速自转外，是否存在其他可观测特征，如锂或碳同位素的变化？

主要发现

• 行星吞噬可使红巨星表面自转速度加速至超过8 km s⁻¹，与快速旋转红巨星的观测值一致。
• 快速表面自转持续时间超过红巨星分支阶段的30%，使这类恒星可通过高自转速度被探测到。
• 在轨道衰减与吞噬过程中，表面速度迅速增加，其中最显著的自转加速发生在行星接近恒星时。
• 由于行星物质稀释导致的锂丰度增加可能是潜在特征，但受竞争过程影响，其不确定性较高。
• 表面碳同位素比值的变化过于微弱，无法作为行星吞噬的可靠诊断指标。
• 表面自转速度在红巨星演化的重要阶段内保持足够高，可被观测，支持其作为恒星-行星相互作用最清晰的观测特征。