[論文レビュー] Characterizing accreting double white dwarf binaries with LISA and Gaia

Katelyn Breivik, Kyle Kremer+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、LISAとGaiaの観測を組み合わせることでヘリウム豊富な供給星を有する二重白色矮星（DWD）連星を完全に特徴付ける手法を提示する。この手法はヘリウム白色矮星の質量-半径関係を活用する。結果として、最大約700系統のシステムで精度の高い質量制約（ΔMD ≤ 0.09 M☉、ΔMA ≤ 1.25 M☉）が得られ、約600系統のシステムでは軌道周波数の時間変化が重力波と天体物理学的要因に分離可能であることが示された。

ABSTRACT

We demonstrate a method to fully characterize mass-transferring double white dwarf (DWD) systems with a helium-rich (He) WD donor based on the mass-radius relationship for He WDs. Using a simulated Galactic population of DWDs, we show that donor and accretor masses can be inferred for up to $\sim 700$ systems observed by both LISA and Gaia. Half of these systems will have mass constraints $\Delta\,M_{ m{D}}\lesssim0.09M_{\odot}$ and $\Delta\,M_{ m{A}}\lesssim1.25\,M_{\odot}$. We also show how the orbital frequency evolution due to astrophysical processes and gravitational radiation can be decoupled from the total orbital frequency evolution for up to $\sim 600$ of these systems.

研究の動機と目的

• LISAとGaiaのマルチメッセンジャー観測データを用いて、質量転送を伴う二重白色矮星系を完全に特徴付ける手法を開発すること。
• 従来の手法がデゲネラシーと観測不確実性の制限を受ける中で、DWDにおける供給星および吸着星の質量を推定する課題に対処すること。
• ヘリウムを豊富に含む白色矮星の既知の質量-半径関係を活用することで、精度の高い質量測定を可能にすること。
• 質量転送を伴うDWDにおける軌道周波数変化のうち、重力波と天体物理学的過程の寄与を分離可能にするための手法を提供すること。

提案手法

• ヘリウムを豊富に含む白色矮星の既知の質量-半径関係を用い、半径推定値から供給星質量を制約する。
• LISAが測定する軌道周波数とチルプ質量と、Gaiaが得る天体物理学的パラメータ（視 parallax と固有運動）を組み合わせ、距離と軌道傾きを推定する。
• LISAとGaiaのデータを同時にフィットするための連合尤度解析を適用し、質量および軌道パラメータ推定におけるデゲネラシーを解消する。
• 全軌道周波数変化を、重力波駆動成分と天体物理学的駆動成分の和としてモデル化し、周波数変化が測定可能なシステムにおいて両者の分離を可能にする。
• DWDのシミュレートされた銀河系内集団を用いて、質量および周波数変化の制約が達成可能なシステム数を評価する。
• 統計的推論を用いて供給星および吸着星の質量の不確実性を定量化し、検出可能なシステムの半数で0.1 M☉未満の精度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリウム白色矮星の質量-半径関係は、LISAとGaiaで観測される質量転送を伴うDWDの質量推定におけるデゲネラシーを解消するために利用可能か？
• RQ2 LISAとGaiaのデータを組み合わせることで、ヘリウムを豊富に含む供給星を有するDWDシステムのうち、どれだけの数が精度の高い質量制約を達成できるか？
• RQ3 このようなシステムにおいて、軌道周波数変化を重力波と天体物理学的過程の寄与にどれだけ正確に分解可能か？
• RQ4 現在および将来の観測機器を用いて、質量と周波数変化の両方の成分が測定可能なDWDの期待数はどの程度か？

主な発見

• ヘリウムを豊富に含む供給星を有する二重白色矮星システムのうち、最大約700系統がLISAとGaiaの共同観測により完全に特徴付け可能である。
• その半数のシステムでは、供給星質量の制約がΔMD ≤ 0.09 M☉未満、吸着星質量の制約がΔMA ≤ 1.25 M☉未満となる見込みである。
• 軌道周波数変化は、最大約600系統のシステムにおいて重力波成分と天体物理学的過程成分に分離可能である。
• 本手法は、LISAとGaiaのデータにおける質量-距離-傾きデゲネラシーを解消するために、ヘリウム白色矮星の既知の質量-半径関係に依存している。
• 銀河系内集団のシミュレーションから、LISAの重力波測定とGaiaの天体物理学的パラメータの組み合わせにより、DWDの特徴付けにおいて前例のない精度が達成可能であることが示された。
• この手法により、質量転送を伴うDWDにおける両方の質量と、軌道進化を駆動する物理的過程の強固な推論が可能になる。