[论文解读] The Formation and Evolution of Multiple Star Systems

S. J. Aarseth, Rosemary A. Mardling|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文通过带有原始双星的N体模拟，模拟了星团中分层多重恒星系统的形成与长期演化。它引入了一种平均化长期模型，以追踪外层伴星引起的偏心率激发，表明高激发的偏心率驱动潮汐圆化和显著的轨道收缩，从而在Gyr时间尺度上形成紧密双星。

ABSTRACT

Multiple systems play an important role in the evolution of star clusters. First we discuss several formation mechanisms which depend on the presence of binaries, either primordial or of dynamical origin. Hierarchical configurations are often stable over long times and yet may experience evolution of the internal orbital parameters. We describe an attempt to model the eccentricity change induced by the outer component using an averaging method, together with the effects due to tidal dissipation and apsidal motion acting on the inner binary. This treatment is adopted for systems with high induced eccentricity which gives rise to some interesting outcomes of significant period shrinkage.

研究动机与目标

• 理解在具有显著原始双星分数的星团中，分层多重恒星系统如何形成与演化。
• 模拟外层伴星对内层双星偏心率和轨道演化的影响。
• 研究潮汐耗散、拱线进动和相对论进动在收缩内层双星轨道中的作用。
• 评估多重系统的长期稳定性与演化路径，包括洛希瓣溢出和共包层阶段。
• 开发一种用于模拟具有倾斜轨道的分层三合星系统中偏心率调制的长期平均方法。

提出的方法

• 使用包含8,000颗单星和2,000个原始双星的N体模拟，初始半长轴按对数均匀分布，最大达240 AU。
• 采用Kustaanheimo-Stiefel（KS）正则化和链式正则化，以精确处理强相互作用和近距离双星。
• 应用四阶长期近似，以建模外轨道对内层双星偏心率和角动量的平均时间效应。
• 在内层双星演化中引入潮汐耗散、由恒星扁率引起的拱线进动以及相对论进动。
• 使用合成恒星演化模型追踪密近双星中的质量损失、半径变化和洛希瓣溢出。
• 通过Hut理论实现自旋演化，确保在潮汐圆化过程中总角动量守恒。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有显著原始双星分数的星团中，分层多重系统如何形成？
• RQ2 哪些动力学机制导致外层伴星引起内层双星的高偏心率激发？
• RQ3 由激发偏心率驱动的潮汐耗散在多大程度上导致轨道收缩和紧密双星形成？
• RQ4 拱线进动和相对论进动如何影响分层系统中偏心内层双星的演化？
• RQ5 多重系统的长期演化路径是什么，包括洛希瓣溢出和共包层阶段？

主要发现

• 通过双星-双星碰撞，分层三合星系统得以稳健形成，在包含8,000颗单星和2,000颗双星的模拟中，10亿年后至少存在十个稳定三合星系统。
• 具有高偏心率和有利倾角的外层伴星可使内层双星偏心率达到e ≈ 0.993，从而引发强烈的潮汐效应。
• 在1200万年内，潮汐圆化将内层双星周期从1977天缩短至1.1天，随后在200万年的圆化过程中进一步缩短至0.6天。
• 一个初始周期为1977天、偏心率e = 0.83的系统，历经两次双星-双星碰撞和两次圆化阶段，最终因引力波辐射阻尼，周期缩短至0.001天（约14分钟）。
• 在后期阶段的共包层演化产生了一个最终的白矮星双星系统，其半长轴为1个太阳半径，周期为0.1天。
• 长期偏心率激发与潮汐耗散的结合导致显著的轨道收缩，解释了在Gyr时间尺度上紧密双星的形成。