Simulating the convection in red super-giant stars: wobbling jets in common envelope evolution

技術要約：赤色超巨星における対流のシミュレーションと共通外層進化における揺動するジェット

問題提起
本研究は、共通外層進化（CEE）の過程で赤色超巨星（RSG）のエンベロープ内を螺旋状に降下するコンパクトな伴星（中性子星、ブラックホール、または主系列星）への質量降着のダイナミクスを扱う。極めて重要な未解決の問題は、降着する質量の比角運動量の源とその大きさである。軌道運動と半径方向の密度勾配は固定軸の角運動量成分を提供するが、激しいエンベロープ対流による確率的な成分が導入される。著者らは、対流による確率的な角運動量が、降着円盤を形成するのに十分であるか、またそのランダムな方向が伴星から放出されるジェットの形態にどのように影響するかを調査している。本研究は、「標準的な」CEEには伴星から放出されるジェットが含まれるという前提の下で行われている。このメカニズムは、多くの惑星状星雲やポストCEE系の形態を説明する上で極めて重要である。

手法
著者らは、Cartesian格子を用いたコード FLASH に基づく、RSG星の新たに構築された3次元（3D）流体解析モデルを用いている。MESAを用いて進化した15 $M_{\odot}$ の零年齢主系列星から派生したこのモデルには、現実的な恒星挙動を模倣するために2つの特定の数値的要素が組み込まれている：

1. 光球放射の模倣： 初期光球密度（$\rho_{ph} \approx 2 \times 10^{-9}$ g cm$^{-3}$）を下回るグリッドセルは、表面での放射冷却をシミュレートするために1000 Kに冷却される。
2. 核エネルギー生成の模倣： 恒星の脈動を維持するため、1次元モデルの光度（$L \approx 7 \times 10^4 L_{\odot}$）に一致するように、シェル領域（$201 R_{\odot} < r < 230 R_{\odot}$）にエネルギーが注入される。

シミュレーションでは、伴星の重力やエネルギー注入の影響を受けない、摂動のないRSGモデルを考慮し、エンベロープの対流特性を単独で抽出している。著者らは、伴星（質量 $M_2$）が半径 $a = 450 R_{\odot}$ および $a = 700 R_{\odot}$ で公転する場合に降着する質量の比角運動量を算出している。全比角運動量（$\vec{j}_{acc}$）を以下の2つの成分に分解する：

• 固定軸成分 ($\vec{j}_O$): 軌道運動と半径方向の密度勾配に由来し、密度勾配パラメータ $\eta = 0.1$ を用いたボンディ・ホイル・リトルトン（BHL）降着理論を用いて計算される。
• 確率的成分 ($\vec{j}_R$): 伴星の軌道を中心とした球状体（$R_{acc} = 0.5 R_{BHL}$ から $0.75 R_{BHL}$）内の対流塊の角運動量を、降着タイムスケールにわたって合計することで計算される。

主な結果

1. 変動の振幅： 確率的な角運動量成分（$\vec{j}_R$）は大きな変動を示す。エネルギー注入を含む現実的なシミュレーションでは、これらの変動の振幅は固定軸成分（$\vec{j}_O$）の大きさの約2〜3倍に達する。
2. 方向の多様性： 全比角運動量（$\vec{j}_{acc}$）の方向は大きく変化する。ランダムな成分によって、全角運動量ベクトルが頻繁に軌道面から逸脱し、角度 $\alpha_w$ は広く変化する。多くの場合、確率的成分は、降着する角運動量の方向を軌道軸に対して「反転」させるほど大きい。
3. 円盤の形成：
   • コンパクトな伴星（NS/ブラックホール）： 全比角運動量は、確率的な変動がある場合でも、中性子星やブラックホールの周囲に断続的な降着円盤を形成するのに容易に十分である。
   • 主系列伴星： 角運動量は、主系列星の周囲に安定した降着円盤を形成するには、わずかに十分であるか、あるいは不十分である。円盤は、大きな $\vec{j}_R$ の変動が発生する短い期間にのみ形成される可能性がある。
4. タイムスケール： 角運動量方向の変動周期は、軌道半径および降着半径に応じて19日から35日程度である。これは、外側降着円盤の粘性緩和時間と同等かそれよりも短いため、円座が変動の間に緩和する時間がない可能性を示唆している。

意義と主張
本論文は、対流駆動の確率的角運動量がCEEの降着プロセスにおいて支配的な要因であり、しばしば軌道運動による寄与を上回ることを主張している。主な示唆は以下の通りである：

• 揺動するジェット： 降着円盤の角運動量ベクトルが急速かつ大幅に変動するため、伴星から放出されるジェットは単一の対称軸に沿わない「揺動する（wobbling）」ものとなり、様々な方向に放出される。
• エンベロープとの相互作用： これらの揺動するジェットは、固定軸のジェットと比較して、エンベロープの中に真っ直ぐな経路を穿つ可能性が低い。しかし、ランダムな方向性は、一対のジェットのうち一方が半径方向に外側へ放出される確率を高め、放出された質量を単純な双極ローブではなく、複雑な構造（弧、フィラメント、中規模のバブル）へと成形する可能性がある。
• フィードバック・メカニズム： 本研究は、「ジェットによる質量除去降着シナリオ」を支持している。これは、ジェットが高エントロピーガスを除去することで、さらなる降着を促進するというものである。ジェットの揺動する性質は、ジェットが伴星に到達していない領域を加熱したり、非対称に突き抜けたりするため、フィードバックのサイクルを複雑にする。
• 標準的なCEEの定義： 著者らは、標準的なCEEモデルには、グレージング・エンベロープ進化（GEE）、CEE自体、および／または脱出フェーズにおいて、伴星から放出されるジェットが含まれなければならないことを再確認している。本研究は、これらのジェットの変動性に物理的な根拠を与え、「揺動」がエンベロープ対流の固有の結果であることを強調している。

本研究は、伴星の重力とジェット注入を含む完全なフィードバック・シミュレーションは計算負荷が高く、今後の課題であるが、現在の結果は、相互作用する連星系や惑星状星雲の観測される形態を説明するために、CEEおよびGEEのモデルに揺動するジェットを含める必要性を強く支持していると結論付けている。