Hydrodynamic Response of Mildly Evolved Common Envelope Donors in Luminous Red Novae

技术摘要：亮红新星中轻度演化共包层供体的流体动力学响应

问题陈述
亮红新星（LRNe）是与不稳定双星相互作用及共包层（CE）演化相关的光学和红外暂现源。尽管近期的人口合成研究表明，相当一部分亮红新星的前身星源自“轻度演化”的供体——即处于主序后早期阶段、具有中间结构特性的恒星——但标准理论模型往往依赖于简化的假设。具体而言，许多半解析模型假设包层抛射是在几个动力学时标内瞬时发生的，仅由轨道能量与包层结合能的瞬时平衡驱动。然而，具有中间中心密度集中度的供体（介于简化多方球与高度分层巨星之间）的流体动力学响应仍知之甚少。尚不清楚这些供体的结构特性是否以简单的能量平衡论点无法捕捉的方式，调节质量抛射的时标和形态。

方法论
作者利用一系列三维流体动力学模拟，研究轻度演化供体的共包层演化。

• 供体模型：本研究采用基于 Twum 等人（2026）双星人口合成框架、使用一维代码 MESA 生成的恒星演化模型网格。这些模型聚焦于“第 I 区”供体（即离开主序后不久发生不稳定质量转移的轻度演化系统）。
• 关键参数：模拟按中心密度与平均密度的比值（$\rho_c/\bar{\rho}$）进行组织，该参数已被证明能调节潮汐瓦解事件中的流体动力学响应。研究选取了跨度约为 $10^2$ 至 $10^3$ 的 $\rho_c/\bar{\rho}$ 范围的供体，涵盖从 $\sim 2 M_\odot$ 到 $18 M_\odot$ 的质量。
• 模拟设置：一维恒星结构被映射到 FLASH 自适应网格加密流体动力学代码中。模拟追踪了嵌入伴星（质量比 $q = M_{\bullet}/M_* \in [0.1, 0.4]$）在供体包层中的自洽旋进过程。
• 实验设计：作者比较了具有不同中心集中度但质量比相似的系统，以及具有相似 $\rho_c/\bar{\rho}$ 但恒星质量和演化状态截然不同的系统，以隔离中心集中度的作用。

主要结果
模拟揭示，共包层相互作用的流体动力学演化受供体中心集中度（$\rho_c/\bar{\rho}$）的强烈调节，导致两种截然不同的演化机制：

1. 适中的中心集中度（$\rho_c/\bar{\rho} \approx 250$）：

   • 中心集中度较低的系统（例如 $18 M_\odot$ 供体）经历由局部轨道能量沉积主导的快速旋进。
   • 伴星仅在几个动力学时标内向内旋进，最终稳定在供体核心附近。
   • 质量抛射主要发生在初始坠入阶段。一旦伴星稳定，大尺度供体结构变化甚微，总抛射质量仅占包层的一小部分。
   • 质量抛射随伴星质量比呈现系统性标度，大致符合轨道能量预算的预期，尽管流体动力学效应使抛射物质量超出了简单的 $\alpha$-形式论预测。

2. 高中心集中度（$\rho_c/\bar{\rho} \approx 960$）：

   • 中心集中度较高的系统（例如 $2.14 M_\odot$ 供体）表现出截然不同的两阶段演化。
   • 在初始快速旋进之后，系统过渡到由膨胀驱动的 prolonged 阶段。供体包层在全球尺度上膨胀，在数十至数百个动力学时标内驱动持续的质量损失。
   • 在此机制下，激波、环流和大尺度包层运动有效地将沉积的能量和角动量重新分布至整个恒星。
   • 关键在于，包层本身变得具有动力学重要性，在快速坠入减缓后仍驱动持续的质量损失。这些系统抛射出大部分供体包层，且很大程度上独立于伴星质量比，这一行为无法由瞬时能量平衡论点预测。

意义与主张
本文认为，亮红新星的观测多样性不仅取决于总抛射质量，还取决于外流的时序结构。

• 对半解析模型的挑战：结果挑战了那些假设包层几乎瞬时抛射并利用简单轨道能量平衡估算效率的模型。模拟表明，对于具有中间中心集中度的供体，流体动力学响应可使质量抛射历史与初始轨道能量沉积解耦。
• 中心集中度的作用：本研究确立了 $\rho_c/\bar{\rho}$ 作为共包层演化的关键组织参数。具有相似中心集中度的供体表现出定性相似的旋进形态和质量抛射历史，即使它们的总质量和半径存在显著差异。
• 亮红新星现象学：研究结果表明，从瞬时包层抛射到 prolonged、类风或多阶段质量损失演化的转变，是供体内部结构的自然结果。此处识别出的中间机制系统可能导致寿命较长的亮红新星爆发，其具有复杂的星周环境，由持续的激波及连续质量损失阶段之间的相互作用驱动。

作者得出结论：供体的流体动力学响应调节了质量抛射的时标和特征，这意味着亮红新星光变曲线的多样性反映了双星相互作用复杂且随时间变化的流体动力学演化，而非单一的通用抛射机制。