[論文レビュー] A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1. IV. Wd1-5 - binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45?

J. S. Clark, B. W. Ritchie+3 more|Open Research Online (The Open University)|May 13, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 103被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、ウェスターランド1に存在するWd1-5が、単一星の進化とは整合しない化学的異常（Cの過剰、N/C比、Oの欠乏）を示す質量の大きな進化済み星であることが特定された。これは、共通エンvelope進化を経験した二重星系の生存者である可能性を示唆している。著者らは、Wd1-5が磁気星CXOU J1647-45の超新星爆発前の同伴星であると提案し、二重星相互作用がコアの角運動量を保持し、質量移動中にスピンアップと磁場強化を引き起こすことで磁気星形成を可能にするとしている。

ABSTRACT

The first soft gamma-ray repeater was discovered over three decades ago, and subsequently identified as a magnetar. However there is currently no consenus on the formation channel(s) of these objects. The presence of a magnetar in the starburst cluster Westerlund 1 implies a >40Msun progenitor, favouring formation in a binary that was disrupted at supernova. To test this hypothesis we searched for the putative pre-SN companion via a radial velocity survey to identify high-velocity runaways, with subsequent atmospheric analysis of the resultant candidate, Wd1-5. Wd1-5 appears overluminous for its spectroscopic mass and we find evidence of He- and N-enrichment, O-depletion, and critically C-enrichment, a combination of properties that is difficult to explain for a single star. We infer a pre-SN history for Wd1-5 which supposes an initial close binary comprising two stars of comparable (~41Msun+35Msun) masses. Efficient mass transfer from the initially more massive component leads to the mass-gainer evolving more rapidly, initiating luminous blue variable/common envelope evolution. Reverse, wind-driven mass transfer during its subsequent WC Wolf-Rayet phase leads to the carbon pollution of Wd1-5, before a type Ibc supernova disrupts the binary system. Under the assumption of a physical association between Wd1-5 and J1647-45, the secondary is identified as the magnetar progenitor; its common envelope evolutionary phase prevents spin-down of its core prior to SN and the seed magnetic field for the magnetar forms either in this phase or during the earlier episode of mass transfer in which it was spun-up. Our results suggest that binarity is a key ingredient in the formation of at least a subset of magnetars by preventing spin-down via core-coupling and potentially generating a seed magnetic field.

研究の動機と目的

• ウェスターランド1という大質量クラスター内で、磁気星CXOU J1647-45の超新星爆発前の同伴星を探索することで、磁気星が二重星相互作用によって形成されるという仮説を検証すること。
• Wd1-5で観測された化学的異常（C過剰、N/C比、O欠乏）が単一星の進化で説明可能かどうかを評価し、質量移動および共通エンvelope段階を含む二重星歴史を必要とするかどうかを明らかにすること。
• Wd1-5の分光的および光度的特性を分析することで、磁気星の前身星の質量および進化経路を制約すること。
• 二重星相互作用がコアの回転減衰を防ぎ、中性子星における超強磁場の生成を可能にする役割を評価すること。

提案手法

• VLT/FLAMESを用いた径速度調査を通じて、ウェスターランド1内の高速ランウェイ星を同定した。
• Wd1-5に対して非局所熱平衡（non-LTE）モデル大気解析を実施し、その基本的パラメータ（Teff、log g、[Fe/H]、質量、光度）および元素分画を導出した。
• 既知の大質量二重星（例：Wd1-13、Wd1-44）とWd1-5の分光的性質を比較することで、進化の類似性を推定した。
• 初期質量関数、質量移動段階、共通エンvelope進化を含む、Wd1-5の二重星進化歴をモデル化した。
• 観測されたC過剰およびN/Oの異常をもとに、WC型Wolf-Rayet段階における逆方向の質量移動を推定した。
• 空間的一致とクラスターの共通形成年齢に基づいて、Wd1-5とCXOU J1647-45の物理的関連性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Wd1-5の化学的異常（C過剰、N/C比、O欠乏）は単一星の進化で説明可能か。それとも、質量移動および共通エンvelope段階を含む二重星歴を必要とするか。
• RQ2 Wd1-5は磁気星CXOU J1647-45と物理的に関連しているか。その運動学的および化学的特徴は、それが超新星爆発前の同伴星としての役割を果たしていることを支持するか。
• RQ3 観測されたWd1-5の性質を最もよく説明する二重星進化経路（例：質量移動、共通エンvelope、逆方向の風駆動移動）は何か。
• RQ4 二重星相互作用がコアの回転減衰を防ぎ、磁気星の種磁場を生成する可能性があるメカニズムは何か。
• RQ5 Type Ibc超新星で磁気星が形成されるのは、Wd1-5の観測特性およびクラスター環境と整合するか。

主な発見

• Wd1-5は分光的質量が約41 M☉であり、質量に対して著しく過光度的であるため、共通エンvelope二重星系の後期発展段階にある星であると示唆される。
• この星は強いC過剰（log ɛ(C) ≈ 8.0）、N過剰、O欠乏を示しており、これらは標準的な単一星進化とは整合しないが、WC型Wolf-Rayet段階における逆方向の質量移動と整合する。
• Wd1-5の進化歴は、初期質量がそれぞれ約41 M☉および約35 M☉の二重星系から始まり、当初質量の大きな星が質量移動を経て共通エンvelope進化を経験したと説明するのが最も適切である。
• 二次星（Wd1-5）は、主系列星がWolf-Rayet段階にあった際に、炭素を豊富に含む物質を受けて汚染されたと考えられ、表面組成の異常を説明できる。
• Type Ibc超新星による二重星系の破壊は、磁気星CXOU J1647-45との観測上の空間的および運動学的関連性と整合的である。
• 著者らは、二重性が磁気星形成に不可欠であると結論づける。これは、コアの角運動量を保持し、質量移動または共通エンvelope段階で種磁場を生成する可能性があるからである。