イータカリーナを取り巻く星雲の起源

平井 遼介
Monash University
共同研究者:
Philipp Podsiadlowski (Oxford/Bonn)
Stan Owocki (Delaware)
Fabian Schneider (Heidelberg/HITS)
Nathan Smith (Arizona)

連星系・変光星研究会2020@ Zoom 29/1/2021

1844年に大爆発

高離心率の連星系
Hamaguchi et al. 2016

Smith & Frew 2009

人形星雲
人形星雲外部にも構造
Kiminki et al. 2016

強い双極恒星風Smith et al. 2003

高輝度青色変光星(LBV)

観測事実のまとめ
この星の形成を語る上で、以下の全ての観測的制限を満たすシナリオを考える必要がある••••

大爆発（Great Eruption）
爆発の原因は？
Eexp~1050erg, Mej~10M⦿
軸対称、バイポーラ
150-20,000km/sという広い速度分布

中心星• M1~100-200M⦿
• 記録的な質量放出率のバイポーラな恒星風-3M /yṙ• 𝑀𝑀~10⦿•
••
•
•

その他
外部エジェクタの位置からX線Nが豊富なエジェクタ
赤道面に「スカート」のような構造
大爆発以前にも小爆発を数回等々…

••
•
•

伴星
高い質量放出率
M2~30M⦿
離心率 0.85-0.95
人形星雲の赤道面と軌道面は一致••••

外部エジェクタ
数百年おきに質量放出
一方向への射出
毎回異なる方向
射出速度 300-600km/s

以下の点を手掛かりに起源を考える‣ 外部エジェクタ
三体系で‣ 19世紀の大爆発連星合体‣ 人形星雲の形状が起きた名残今回提唱する形成シナリオ
Stable triple(~106-7 yr)

Star B

60

Star C

2-250

60

40

3-1

3050

2-3

sprays60

Orbit widens

Orbital parameters
Inner period:~10 dOuter period:~80 dInner eccentricity:~0Outer eccentricity:~0.1
Mutual inclination:~70°50

Matter spilled out

30~103 yr

Close encounters

3-21844 Great Eruption
3060~10 yrMerger~102 yr

Common envelope
spiral-in

Homunculus
nebula4Super-Edd
wind

Wind-ejecta
interaction(~180 yr)

50

Chaotic swaps

3-330

1838, 1843
eruptions

3060~103 yr

Mass transfer

Merger(~101-2 yr)

40

Hierarchical triple

2-1

Unstable triple(~103-4 yr)

50

1Star A

X-ray halo

100 30Today

Companion

Core merger

今回提唱する形成シナリオ
Stable triple(~106-7 yr)

Star B

60

Star C

2-2506040

3-130
50

2-3

sprays60

Orbit widens

Orbital parameters
Inner period:~10 dOuter period:~80 d
Inner eccentricity:~0
Outer eccentricity:~0.1
Mutual inclination:~70°

50

Matter spilled out

30~103 yr

Close encounters3-21844 Great Eruption
3060~10 yrMerger~102 yr

Common envelope
spiral-in

Homunculus
nebula4Super-Edd
wind

Wind-ejecta
interaction(~180 yr)

50

Chaotic swaps

3-330

1838, 1843
eruptions

3060~103 yr

Mass transfer

Merger(~101-2 yr)

40

Hierarchical triple

2-1

Unstable triple(~103-4 yr)

50

1Star AX-ray halo

100 30Today

Companion

Core merger

今回提唱する形成シナリオ
Stable triple(~106-7 yr)

Star B60

Star C

2-250

60

40

3-1

3050

2-3

sprays60

Orbit widens

Orbital parameters
Inner period:~10 dOuter period:~80 d
Inner eccentricity:~0
Outer eccentricity:~0.1
Mutual inclination:~70°

50

Matter spilled out

30~103 yr

Close encounters

3-21844 Great Eruption
3060~10 yrMerger~102 yr

Common envelope
spiral-in

Homunculus
nebula4Super-Edd
windWind-ejecta
interaction(~180 yr)

50

Chaotic swaps

3-330

1838, 1843
eruptions

3060~103 yrMass transferMerger(~101-2 yr)

40

Hierarchical triple

2-1

Unstable triple(~103-4 yr)

50

1Star A

X-ray halo

100 30Today

Companion

Core merger

恒星合体に至る三体系の軌道進化
質量輸送で軌道が広がったことにより、不安定軌道に突入した時点からの軌道進化を追った

恒星合体に至る三体系の軌道進化
質量輸送で軌道が広がったことにより、不安定軌道に突入した時点からの軌道進化を追った

合体後の離心率はe=0.94 で軌道周期は 7年であった(観測値は e~0.9 & P=5.5yr)

高偏心軌道からの質量放出
高偏心軌道で近点で接近する際の重力相互作用でどのような質量放出が起きうるかを計算した

開き角が ~90度で一方向への質量放出が見られた

外部エジェクタの空間分布
三体の軌道進化及び近点相互作用の計算結果を組み合わせることで噴出物の空間分布を計算

観測された外部エジェクタとの比較
人形星雲が合体時の軌道面に垂直にできたと仮定して、観測されている角度から見た図

シミュレーション
定性的に空間分布の形は似ている

観測今回提唱する形成シナリオ
Stable triple(~106-7 yr)

Star B60

Star C2-250

6040

3-13050

2-3sprays
60

Orbit widens

Orbital parameters
Inner period:~10 dOuter period:~80 d
Inner eccentricity:~0
Outer eccentricity:~0.1
Mutual inclination:~70°50

Matter spilled out

30~103 yr

Close encounters

3-21844 Great Eruption
30

60~10 yrMerger~102 yr

Common envelope
spiral-in

Homunculus
nebula4Super-Edd
windWind-ejecta
interaction(~180 yr)

50

Chaotic swaps

3-330

1838, 1843
eruptions3060~103 yr

Mass transferMerger(~101-2 yr)

40

Hierarchical triple

2-1

Unstable triple(~103-4 yr)

50

1Star A

X-ray halo

100 30Today

CompanionCore merger

今回提唱する形成シナリオ
Stable triple(~106-7 yr)

Star B

60

Star C

2-25060

40

3-130
50

2-3

sprays60

Orbit widens

Orbital parameters
Inner period:~10 dOuter period:~80 d
Inner eccentricity:~0
Outer eccentricity:~0.1
Mutual inclination:~70°50

Matter spilled out

30~103 yr

Close encounters3-21844 Great Eruption
3060~10 yrMerger~102 yr

Common envelopespiral-in

Homunculus
nebula4Super-Edd
wind

Wind-ejecta
interaction(~180 yr)

50

Chaotic swaps

3-330

1838, 1843
eruptions

3060~103 yr

Mass transferMerger(~101-2 yr)

40

Hierarchical triple

2-1

Unstable triple(~103-4 yr)

50

1Star A

X-ray halo

100 30Today

Companion

Core merger

連星合体の疑似シミュレーション

連星合体による爆発を再現するような軸対称2次元シミュレーションを行った

恒星風によるエジェクタの掃き集め
観測形状

合体生成物は軌道から持ち込まれたエネルギーと角運動量が大量に残存しており、高い輻射エネルギーと高速回転によって強い恒星風が駆動される

今回提唱する形成シナリオ
Stable triple(~106-7 yr)

Star B60

Star C

2-2506040

3-130502-3sprays60

Orbit widens

Orbital parameters
Inner period:~10 dOuter period:~80 d
Inner eccentricity:~0
Outer eccentricity:~0.1
Mutual inclination:~70°

50

Matter spilled out

30~103 yr

Close encounters

3-21844 Great Eruption
3060~10 yrMerger~102 yr

Common envelope
spiral-in

Homunculus
nebula4Super-Edd
wind

Wind-ejecta
interaction(~180 yr)

50

Chaotic swaps

3-330

1838, 1843
eruptions

3060~103 yr

Mass transferMerger(~101-2 yr)

40

Hierarchical triple

2-1

Unstable triple(~103-4 yr)

50

1Star A

X-ray halo

100 30Today

Companion

Core merger以下の点に絞って起源を考える‣ 外部エジェクタ

不安定な三体系は時に非常に偏心した軌道に至ることがあり、近点での重力相互作用で質量放出を起こす‣ 19世紀の大爆発
いずれ二つの星は合体に至り、大量のエネルギーと角運動量が解放されることで爆発が起きる‣ 人形星雲形状
合体生成物には大量のエネルギーと角運動量が残存しているためそれを双極的な恒星風として解放する。爆発噴出物が恒星風に掃き集められ人形星雲の形状を作る

イータカリーナは珍しいのかイータカリーナのような系はおそらく珍しいが、三体系中の連星合体は頻繁に起きてる可能性も

Be X-ray binaries

Moe & Di Stefano 2017

大質量星の大半は連星系どころかそれ以上の多重連星系に属している

Type Ibn/IIn Supernovae

まとめ
特異な星イータカリーナの形成シナリオとして不安定な三体系内での連星合体を提唱した• 三体時代に内側の連星が接近して互いの表面をかすめることで一方向的な質量放出を起こす• さらに軌道が不安定化すると３つの星のうち２つが衝突に近い合体現象を起こす• 合体の際のエネルギー解放で爆発を起こす• 残存エネルギーが恒星風を駆動し、エジェクタを掃き集めて人形星雲を形作る

軸対称2次元流体シミュレーションにより、イータカリーナの爆発及びその後の恒星風によるエジェクタの掃き集めを再現した。
人形星雲に極めて近い形状の星雲を再現することに成功した。
多体計算により連星合体に至るまでの不安定な三体系の軌道進化を追った。
また、恒星が接近した際に起きうる質量放出も疑似的に再現する計算を行った。
観測される外部エジェクタの形状を定性的に再現できた。
豊富な観測があるイータカリーナから得られる知見を使って他の天体の起源も探れる可能性