[论文解读] Triple common envelope evolution: Circumstellar triples

Hila Glanz, Hagai B. Perets|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 8被引用 4

一句话总结

该论文首次对围绕恒星的三重共同包层（TCE）演化进行了流体动力学模拟，其中一颗致密双星被红巨星的包层所吞没。TCE导致内缩速度减慢、质量抛射增强，并形成非球对称的残骸，这是由于内双星提取了能量和动量，从而引发双星并合、破坏或抛射——为致密双星、恒星并合以及电磁波与引力波波段的暂现源提供了新路径。

ABSTRACT

The dynamical evolution of triple stellar systems could give rise to the formation of compact binaries and induce binary mergers. Common envelope (CE) evolution, which plays a major role in the evolution of compact binary systems, can similarly play a key role in the evolution of triples. Here we use hydrodynamical simulations coupled with few-body dynamics to provide the first detailed models of triple common envelope (TCE) evolution. We focus on the circumstellar case, where the envelope of an evolved giant engulfs a compact binary orbiting the giant (inner-binary), which then in-spirals into the core of the evolved star. Through our exploratory modeling we find several possible outcomes of such TCE: (1) The merger of the binary inside the third star's envelope; (2) The binary disruption of the in-spiraling binary following its plunge, leading to a chaotic triple dynamics of the stellar-core and the two components of the former disrupted binary. The chaotic evolution typically leads to the in-spiral and merger of at least one of the former binary components with the core, and sometimes to the ejection of the second, or alternatively its further now-binary common-envelope evolution. The in-spiral in TCE leads to overall slower in-spiral, larger mass ejection and the production of more aspherical remnant, compared with a corresponding binary case of similar masses, due to the energy/momentum extraction from the inner-binary. We expect TCE to play a key role in producing various types of stellar-mergers and unique compact binary systems, and potentially induce transient electromagnetic and gravitational-wave sources.

研究动机与目标

• 研究致密双星被红巨星包层吞没后形成的三重恒星系统中，三重共同包层（TCE）演化的动力学演化过程。
• 理解第三颗恒星的存在如何改变共同包层演化过程中的内缩行为与最终结果，相较于双星系统。
• 模拟内双星与周围包层之间的能量和动量交换，及其对抛射效率与残骸非球对称性的影响。
• 探索通过TCE形成致密双星系统与恒星并合的形成路径，包括潜在的电磁波与引力波暂现源。

提出的方法

• 采用耦合的流体动力学模拟与少体动力学方法，模拟三重系统在共同包层阶段的演化过程。
• 聚焦于围绕恒星的构型，即内双星在演化红巨星的包层内绕转。
• 追踪内双星内缩过程中向包层转移的能量与动量，以影响抛射效率与残骸结构。
• 模拟内双星内缩的最终结果，包括可能的并合、破坏，以及核心与双星组分之间的后续混沌动力学。
• 将TCE结果与质量相近的双星共同包层演化进行对比，以分离第三颗星的影响。
• 分析最终残骸的非球对称性与质量抛射效率，以评估其观测特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在围绕恒星的三重系统中，三重共同包层演化的主导动力学结果是什么？
• RQ2 与双星共同包层演化相比，第三颗恒星的存在如何改变内缩 timescale 与质量抛射效率？
• RQ3 从内双星中提取能量与动量在塑造最终残骸与抛射特性方面起到什么作用？
• RQ4 TCE是否能导致致密双星系统或恒星并合的形成？其相关的暂现源特征是什么？
• RQ5 在何种条件下内双星会被破坏？其组分随后的动力学命运如何？

主要发现

• 由于从内双星中提取能量与动量，三重共同包层演化导致的内缩速度比双星共同包层演化更慢。
• 与类似质量的双星系统相比，TCE导致更大的质量抛射与更非球对称的残骸结构。
• 内双星的内缩可导致其在红巨星核心内并合，形成单一合并天体。
• 内双星破坏是常见结果，会引发核心与原双星两组分之间的混沌动力学。
• 混沌演化通常导致至少一个原双星组分与核心发生内缩并合。
• 在某些情况下，第二个原双星组分被抛射；在其他情况下，它会作为新双星经历进一步的共同包层演化。