[論文レビュー] Astro2020 Science White Paper: Understanding the evolution of close white dwarf binaries

Odette Toloza, Elme Breed+28 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、白色矮星連星の包括的かつ偏りのない調査を、全天の光学および高分解能紫外線分光測定を用いて行うべきであると提唱している。これにより、長年の二重星進化モデルの不一致を解消できる。特に、ハッブル宇宙望遠鏡の後続機器が紫外線分光測定による白色矮星の物理的パラメータの高精度測定を可能にし、全進化パラメータ空間のマッピング、Ia型超新星の前身星の制約、およびLISAのような将来の重力波ミッションの校正を可能にする必要があると強調している。

ABSTRACT

Interacting binaries containing white dwarfs can lead to a variety of outcomes that range from powerful thermonuclear explosions, which are important in the chemical evolution of galaxies and as cosmological distance estimators, to strong sources of low frequency gravitational wave radiation, which makes them ideal calibrators for the gravitational low-frequency wave detector LISA mission. However, current theoretical evolution models still fail to explain the observed properties of the known populations of white dwarfs in both interacting and detached binaries. Major limitations are that the existing population models have generally been developed to explain the properties of sub-samples of these systems, occupying small volumes of the vast parameter space, and that the observed samples are severely biased. The overarching goal for the next decade is to assemble a large and homogeneous sample of white dwarf binaries that spans the entire range of evolutionary states, to obtain precise measurements of their physical properties, and to further develop the theory to satisfactorily reproduce the properties of the entire population. While ongoing and future all-sky high- and low-resolution optical spectroscopic surveys allow us to enlarge the sample of these systems, high-resolution ultraviolet spectroscopy is absolutely essential for the characterization of the white dwarfs in these binaries. The Hubble Space Telescope is currently the only facility that provides ultraviolet spectroscopy, and with its foreseeable demise, planning the next ultraviolet mission is of utmost urgency.

研究の動機と目的

• 現在の白色矮星連星サンプルに見られる深刻な選択バイアスと不完全性を是正し、理論的モデリングの正確性を損なわないようにする。
• 理論と観測の不一致を解消するため、すべての進化状態をカバーする均一で大規模な白色矮星連星サンプルの構築を目的とする。
• 高分解能紫外線分光測定を用いて、白色矮星の質量、温度、化学成分の高精度測定を可能にする。
• CV、AM CVn星、SSS、Ia型超新星の前身星といった多様なシステムの形成経路を、その物理的性質の特徴づけを通じて制約する。
• ハッブル宇宙望遠鏡の後続機器として、次世代の紫外線宇宙望遠鏡の優先的開発が不可欠であることを保証する。これは、紫外線分光分析において不可代替の役割を果たしているからである。

提案手法

• 発光線および径速度変動を用いて、全天空の複数エポックの光学分光調査を活用し、白色矮星連星を同定する。
• 短周期系には低分解能（R ≈ 5000）分光測定を、長周期系（SSSの前身星など）には高分解能（R ≥ 20,000）分光測定を適用する。
• 白色矮星の光球線スペクトル（Lyman系列吸収線）をモデル化するため、高分解能（R ≈ 20,000–40,000）の紫外線分光測定を用い、白色矮星の効果的温度と質量を導出する。
• 遠紫外域の金属線（C、Si、Al）の合成大気モデルを用いて、化学成分と回転速度を決定し、高スペクトル分解能による線の重なりの解消を図る。
• 紫外線共鳴線におけるP-Cygniプロファイルを分析し、降着流の構造と変動性を調査する。
• 白色矮星の光球フラックスと降着流の汚染を分離するため、Lyman限界（λ ≈ 912 Å）まで紫外線カバレッジを拡大し、測定の信頼性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通エンvelopeの排出を駆動する物理的メカニズムは何か。また、二重星進化モデルにおけるエネルギー効率パラメータαの真の値は何か。
• RQ2 白色矮星連星の何パーセントが安定的・不安定的質量移動を経て進化するのか。これはSSS、CV、AM CVn系の形成にどのように影響するか。
• RQ3 Ia型超新星の前身星の大多数が、縮重状態の供給星か、非縮重状態の供給星から来ているのか。紫外線スペクトル解析によってこの区別は可能か。
• RQ4 白色矮星連星における化学成分と質量降着率は、その形成経路と進化歴をどのように制約するか。
• RQ5 紫外線分光測定は、異常なN V/C IV成分比やその他のスペクトル的特徴を用いて、後期のスーパーソフトX線源を一意に同定できるか。

主な発見

• 現在の集団モデルは、不完全で偏ったサンプルに依存し、単一の磁気ブレーキング則に依存する簡略化された仮定に基づいているため、観測された白色矮星連星の性質を再現できない。
• 白色矮星の質量と温度を高精度で測定するには、高分解能紫外線分光測定が不可欠であり、特にSSSのような状態で白色矮星が伴星に覆い隠される系において顕著である。
• 現在のところ、ハッブル宇宙望遠鏡が白色矮星の大気モデル化に必要な紫外線スペクトル分解能と感度を提供できる唯一の施設である。
• 信頼性の高い測定を達成するため、将来の紫外線機器は、1480 Åにおける1.2 × 10⁻¹⁶ erg/s/cm²/Åのフラックスレベルで、S/N比が30以上を達成する必要がある。これは、距離が500 pcまでの白色矮星をカバーするにあたって必要不可欠である。
• 紫外線分光測定におけるタイムタグ付き光子検出により、任意の波長-時間データキューブの構築が可能となり、地球圏のエアグラウの影響と固有の変動性の影響を軽減する上で極めて重要である。
• すべての進化経路を網羅する理論モデルの検証を可能にするため、各集団タイプごとに数100個のシステムを含むサンプルが必要である。