[论文解读] Wind accretion in binary stars - I. Mass accretion ratio

T. Nagae, Kazutaka Oka+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用 31

一句话总结

本研究利用三维流体动力学模拟，对具有风驱动质量损失的密近双星系统中的质量吸积进行建模，重点关注质量吸积比——即被伴星捕获的质量占损失质量的比例。研究推导出经验公式，表明吸积效率随风速增加而急剧下降，在 $ V_R \sim 2.6A\Omega $ 处出现拐点，并发现标准Bondi-Hoyle模型因未考虑中间区域复杂的流体动力学而低估了吸积效率。

ABSTRACT

Three-dimensional hydrodynamic calculations are performed in order to investigate mass transfer in a close binary system, in which one component undergoes mass loss through a wind. The mass ratio is assumed to be unity. The radius of the mass-losing star is taken to be about a quarter of the separation between the two stars. Calculations are performed for gases with a ratio of specific heats gamma=1.01 and 5/3. Mass loss is assumed to be thermally driven so that the other parameter is the sound speed of the gas on the mass-losing star. Here, we focus our attention on two features: flow patterns and mass accretion ratio, which we define as the ratio of the mass accretion rate onto the companion to the mass loss rate from the mass-losing primary star. We characterize the flow by the mean normal velocity of wind on the critical Roche surface of the mass-losing star, Vr. When Vr<0.4 A Omega, where A and Omega are the separation between the two stars and the angular orbital frequency of the binary, respectively, we obtain Roche-lobe over-flow (RLOF), while for Vr>0.7 A Omega we observe wind accretion. We find very complex flow patterns in between these two extreme cases. We derive an empirical formula of the mass accretion ratio in the low and in the high velocity regime.

研究动机与目标

• 研究单颗恒星通过热驱动风损失质量的密近双星系统中的质量转移过程。
• 在不同风速条件下，确定质量吸积比——即主星损失质量中被伴星捕获的比例。
• 基于流体动力学特性，识别罗兰德洛瓣溢出（RLOF）与风吸积区域之间的过渡。
• 推导考虑标准Bondi-Hoyle理论未涵盖的复杂中间流场模式的质量吸积比经验公式。

提出的方法

• 对具有相等质量恒星和分离距离为 $ A $ 的双星系统进行三维流体动力学模拟，其中一颗恒星通过热驱动风损失质量。
• 采用两种状态方程，$ \gamma = 1.01 $ 和 $ \gamma = 5/3 $，以模拟不同的气体行为。
• 定义关键参数 $ V_R $，即风在临界罗兰德面法向的平均速度，用于分类流场区域。
• 采用嵌套网格技术以提高吸积区域的分辨率并降低数值黏性。
• 计算质量吸积比 $ f = \dot{M}_{\text{acc}} / \dot{M}_{\text{loss}} $ 作为 $ V_R / A\Omega $ 的函数，其中 $ \Omega $ 为轨道角速度。
• 将结果与经典Hoyle-Lyttleton和Bondi-Hoyle公式进行比较，以评估其在双星风吸积中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双星系统中，质量吸积比如何随风速相对于轨道运动的变化而变化？
• RQ2 在纯罗兰德洛瓣溢出与纯风吸积区域之间，会形成哪些不同的流场模式？
• RQ3 为何标准Bondi-Hoyle或Hoyle-Lyttleton公式在密近双星风系统中无法准确预测吸积效率？
• RQ4 数值分辨率如何影响吸积流的时间变异性与稳定性？
• RQ5 在 $ V_R \sim 2.6A\Omega $ 处观测到的吸积比拐点是由何原因引起？

主要发现

• 当 $ V_R < 0.4A\Omega $ 时，流场归类为罗兰德洛瓣溢出（RLOF）；当 $ V_R > 0.7A\Omega $ 时，为风吸积，中间区域呈现复杂过渡流场。
• 在低速区域，经验公式 $ f = 0.18 \times 10^{-0.75V_R / A\Omega} $ 准确描述了吸积比。
• 在高速区域，吸积比遵循 $ f = 0.05 \times (V_R / A\Omega)^{-4} $，表明其对风速具有强烈依赖性。
• 在 $ V_R \sim 2.6A\Omega $ 处出现的吸积比拐点，是由于吸积盒尺寸与吸积半径相当所致，当减小盒子尺寸时，该拐点向更高的 $ V_R $ 移动。
• 对于 $ \gamma = 5/3 $ 和中间流场，吸积率的时间变异性显著（振幅高达70%），但在更高 $ V_R $ 时减弱，且未检测到主导频率。
• 结果表明，经典Bondi-Hoyle公式因未考虑非平行、发散的流场以及双星动力学的影响，而低估了吸积效率，这些效应在标准模型中未被捕捉。