[论文解读] Wind morphology around cool evolved stars in binaries: the case of slowly accelerating oxygen-rich outflows

I. El Mellah, J. Bolte+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 101被引用 9

一句话总结

本研究利用MPI-AMRVAC代码对70组三维流体动力学模拟，模拟了双星系统中富氧渐近巨星支（AGB）星周围的风形态，重点关注缓慢加速的风。研究发现，由于终端速度较低，富氧喷流更容易形成盘状结构和轨道平面集中，当伴星质量足够大时，会导致显著的轨道收缩，为解释高分辨率的星周包层观测提供了框架。

ABSTRACT

The late stellar evolutionary phases of low and intermediate-mass stars are strongly constrained by their mass-loss rates. The wind surrounding cool evolved stars frequently shows non-spherical features, thought to be due to an unseen companion orbiting the donor star. We study the morphology of the circumbinary envelope, in particular around oxygen-rich asymptotic giant branch (AGB) stars. We run a grid of 70 3D hydrodynamics simulations of a progressively accelerating wind propagating in the Roche potential formed by a mass-loosing evolved star in orbit with a main sequence companion. We resolve the flow structure both in the immediate vicinity of the secondary, where bow shocks, outflows and wind-captured disks form, and up to 40 orbital separations, where spiral arms, arcs and equatorial density enhancements develop. When the companion is deeply engulfed in the wind, the lower terminal wind speeds and more progressive wind acceleration around oxygen-rich AGB stars make them more prone than carbon-rich AGB stars to display more disturbed outflows, a disk-like structure around the companion and a wind concentrated in the orbital plane. In these configurations, a large fraction of the wind is captured by the companion which leads to a significant shrinking of the orbit over the mass-loss timescale, if the donor star is at least a few times more massive than its companion. Provided the companion has a mass of at least a tenth of the mass of the donor star, it can compress the wind in the orbital plane up to large distances. Our grid of models covers a wide scope of configurations function of the dust chemical content, the terminal wind speed relative to the orbital speed, the extension of the dust condensation region around the cool evolved star and the mass ratio. It provides a frame of reference to interpret high-resolution maps of the outflows surrounding cool evolved stars.

研究动机与目标

• 理解包含冷却演化恒星的双星系统中星周喷流的形态，特别是具有缓慢加速风的富氧AGB星。
• 识别在何种条件下风被捕获后会在次星周围形成盘状结构。
• 研究此类系统中由质量损失与风捕获驱动的长期轨道演化。
• 比较富氧与碳富集AGB星的风动力学，重点关注加速度分布差异与对称性破缺。
• 为解释高分辨率ALMA与哈勃望远镜观测到的演化双星系统提供参数化框架。

提出的方法

• 通过一组简化的无量纲参数，将风形态与双星系统特性（包括质量比、风终端速度与轨道速度之比，以及尘埃凝结区范围）关联起来。
• 利用带有自适应网格加密的MPI-AMRVAC代码进行高性能三维流体动力学模拟，以解析从次星附近到40倍轨道分离距离的结构。
• 模拟双星系统的洛希势，并采用渐进加速分布参数化风，代表富氧AGB星的特性。
• 模拟追踪星周介质中弓形激波、螺旋臂、弧状结构及赤道密度增强的形成过程。
• 通过后处理模拟输出，利用辐射转移代码（如SKIRT、RADMC-3D和Magritte）生成尘埃与分子线的合成发射图。
• 该框架允许系统性地探索辐射效应与尘埃增长，基于低成本、高分辨率的模拟构建。

实验结果

研究问题

• RQ1 在富氧AGB供体的双星系统中，何种条件下会在次星周围形成风捕获盘？
• RQ2 富氧风的缓慢加速如何影响星周喷流的对称性与结构，相较于碳富集风有何不同？
• RQ3 当次星捕获了显著比例的恒星风时，双星系统的长期轨道演化如何？
• RQ4 供体与伴星之间的质量比如何影响由于风动量转移导致的轨道收缩或扩大程度？
• RQ5 在无脉动或爆发的稳态风模型下，观测到的轨道平面螺旋结构与密度增强在多大程度上可被解释？

主要发现

• 由于风的缓慢加速，富氧AGB星比碳富集AGB星更易形成扰动喷流与围绕次星的盘状结构。
• 当伴星深度嵌入且质量至少为供体的数倍时，由于强烈的风捕获，在质量损失 timescale 内会发生显著的轨道收缩。
• 当伴星质量较小时，轨道分离距离会增加，但增速低于供体的质量损失率。
• 当风终端速度远低于轨道速度（η ≲ 1）时，轨道平面会高度集中于致密物质，形成自相似膨胀的螺旋弧。
• 对于q ≈ 1且η ≲ 1的系统，即使无脉动或爆发，也会出现不稳定流，表现为轨道平面中碎片化的壳层与同心的花瓣状图案。
• 模拟为合成观测提供了可预测的框架，通过先进辐射转移代码后处理，可直接与高分辨率ALMA和哈勃数据进行对比。