[论文解读] The Evolution of Binaries under the Influence of Radiation-Driven Winds from a Stellar Companion

Sophie L. Schrøder, Morgan MacLeod+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 10

一句话总结

本研究利用三维流体动力学模拟，探究大质量恒星伴星产生的辐射驱动星风对双星系统轨道演化的影响。研究发现，星风速度与质量比是主导因素：低星风-轨道速度比和高质质量比会导致显著的角动量损失和轨道收缩；而较宽的双星系统及质量较轻的伴星则经历轨道扩大。基于星风速度和质量比的简单解析公式能准确预测轨道演化，其有效性在高质质量X射线双星（如Vela X-1和Cygnus X-1）的模拟中得到验证。

ABSTRACT

Interacting binaries are of general interest as laboratories for investigating the physics of accretion, which gives rise to the bulk of high-energy radiation in the Galaxy. They allow us to probe stellar evolution processes that cannot be studied in single stars. Understanding the orbital evolution of binaries is essential in order to model the formation of compact binaries. Here we focus our attention on studying orbital evolution driven by angular momentum loss through stellar winds in massive binaries. We run a suite of hydrodynamical simulations of binary stars hosting one mass losing star with varying wind velocity, mass ratio, wind velocity profile and adiabatic index, and compare our results to analytic estimates for drag and angular momentum loss. We find that, at leading order, orbital evolution is determined by the wind velocity and the binary mass ratio. Small ratios of wind to orbital velocities and large accreting companion masses result in high angular momentum loss and a shrinking of the orbit. For wider binaries and binaries hosting lighter mass-capturing companions, the wind mass-loss becomes more symmetric, which results in a widening of the orbit. We present a simple analytic formula that can accurately account for angular momentum losses and changes in the orbit, which depends on the wind velocity and mass ratio. As an example of our formalism, we compare the effects of tides and winds in driving the orbital evolution of high mass X-ray binaries, focusing on Vela X-1 and Cygnus X-1 as examples.

研究动机与目标

• 理解大质量恒星伴星产生的辐射驱动星风如何影响双星系统的轨道演化。
• 确定主导角动量损失的关键物理参数，如星风速度、质量比和星风分布剖面。
• 开发并验证一种用于预测风致拖曳驱动轨道演化的简单解析公式。
• 以Vela X-1和Cygnus X-1为案例研究，比较风力与潮汐力在塑造高质质量X射线双星演化中的相对影响。

提出的方法

• 对包含一个质量损失恒星和一个致密伴星的双星系统进行三维流体动力学模拟，为计算可行性采用β = 0.5的β律星风分布。
• 通过改变星风终端速度、双星间距处的星风速度、质量比（q）和绝热指数（γ_ad），分离角动量损失的关键驱动因素。
• 采用引力软化和自适应网格加密（AMR）控制数值分辨率，并避免伴星附近出现奇点。
• 通过拖曳效率参数γ_drag测量拖曳力和角动量损失，该参数基于动量转移与星风动量通量的比值推导得出。
• 将模拟结果与风致拖曳和力矩的解析估计进行比较，特别关注其对星风速度和质量比的依赖性。
• 通过与观测到的高质质量X射线双星（包括Vela X-1和Cygnus X-1）对比，验证模型，评估风致演化与潮汐效应的相对重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 星风速度相对于轨道速度的大小如何影响大质量双星的轨道收缩或扩大？
• RQ2 吸积伴星与星风供体之间的质量比在决定角动量损失中起什么作用？
• RQ3 星风加速剖面（如β律）和状态方程（γ_ad）的变化如何影响星风尾迹结构和拖曳力？
• RQ4 能否基于星风速度和质量比开发一个简单解析公式，准确预测风致驱动双星的轨道演化？
• RQ5 在Vela X-1和Cygnus X-1等高质质量X射线双星中，风致效应与潮汐力在塑造轨道演化方面相比如何？

主要发现

• 当星风-轨道速度比值较小时且质量比较大时，由于不对称星风拖曳导致的显著角动量损失，轨道发生收缩。
• 对于更宽的双星系统或吸积伴星质量较轻的系统，星风质量损失趋于对称，导致净动量转移，从而引起轨道扩大。
• 拖曳效率γ_drag在不同绝热指数（γ_ad = 1.1 至 5/3）下变化约2.5倍，较低的γ_ad导致更可压缩、更团块化的流场，从而产生更高的拖曳力。
• 数值分辨率测试表明，γ_drag对软化半径（r_soft）和AMR层级的变化具有鲁棒性，参数变化范围内的波动在±5%以内。
• 模拟结果证实，星风速度和质量比是轨道演化的主导因素，其他参数如星风分布和γ_ad仅起次要作用。
• 基于星风速度和质量比的简单解析公式能准确捕捉观测到的轨道演化，从而实现对致密双星形成路径的预测建模。