[論文レビュー] DI Her as a test of internal stellar structure and General Relativity: New apsidal motion rate and evolutionary models

A. Claret, Guillermo Torres+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、新しい光度測定観測、改善された物理的入力を持つ更新された星進化モデル、および自転軌道軸不整合を考慮したモンテカルロシミュレーションを組み合わせることで、日食連星 DI Her の長年の不一致である近日点運動速度の差を解消した。再評価された理論的予測値 +0.00046 deg cycle⁻¹ は、新しい観測値 +0.00042 deg cycle⁻¹ と一致し、形式的な差はわずか10%にまで低下した。これにより、一般相対性理論が確認され、星進化物理学における数十年にわたる謎が解けた。

ABSTRACT

For the past three decades, and until recently, there has been a serious discrepancy between the observed and theoretical values of the apsidal motion rate dw/dt of the eccentric eclipsing binary DI Her, which has even been interpreted occasionally as a possible failure of General Relativity (GR). Recent observations of the Rossiter-McLaughlin effect have shown convincingly that the reason for the anomaly is that the rotational axes of the stars and the orbital axis are misaligned, which changes the predicted rate of precession significantly. Although as a result of those measurements the disagreement is now drastically smaller, it remains formally at the level of 50%, possibly due to errors in the measured apsidal motion rate, outdated stellar models, or inaccuracies in the stellar parameters. Here we address each of these issues in order to improve the agreement further. New times of minimum have been collected in order to redetermine the apsidal motion rate. We have computed new stellar evolution models with updated physical inputs, and derived improved apsidal motion constants for the components. We have performed Monte Carlo simulations to infer the theoretical distribution of dw/dt, including the contributions from GR as well as tidal and rotational distortions. All observational errors have been accounted for. Our simulations yield a retrograde apsidal motion rate due to the rotationally-induced oblateness of -0.00056 deg/cycle (mode of the distribution), a GR contribution of +0.00068 deg/cycle, and a tidal contribution of +0.00034 deg/cycle, leading to a total predicted rate of +0.00046 deg/cycle. This is in excellent agreement with the newly measured value of +0.00042 deg/cycle. The formal difference is now reduced to 10%, a small fraction of the observational uncertainties. (abridged)

研究の動機と目的

• 一般相対性理論の重要な検証系としての DI Her における観測値と理論値の間の長年の400%の不一致を解消すること。
• この異常が測定誤差、古くなった星進化モデル、または不正確な星のパラメータに起因するかどうかを調査すること。
• 最近のロシター＝マクラウリン測定による自転軌道軸不整合を組み込むことで、観測データと理論的予測を一致させること。
• 更新された物理的入力と絶対的次元を用いて、近日点運動定数と進化モデルの精度を向上させること。
• 観測された近日点運動速度が理論と良好に一致することを示し、この系における一般相対性理論の妥当性を検証すること。

提案手法

• より高い精度で近日点時刻を再決定するため、新しい光度測定観測から最小時刻を収集した。
• （例：光学率、状態方程式など）更新された物理的入力と両星の洗練された絶対的次元を用いて、新しい星進化モデルを構築した。
• 新しいモデルに基づき、中心濃度効果を組み込んだ星の近日点運動定数（k₂）を計算した。
• 観測誤差を伝搬させるためのモンテカルロシミュレーションを実施し、全近日点運動速度の理論的分布を計算した。
• シミュレーションに一般相対性理論寄与、潮汐歪み、回転に起因する扁平化寄与を含めた。
• アルブレヒトら（2009年）のロシター＝マクラウリン効果パラメータ（λ, v sinβ）を、自転軌道軸不整合が近日点運動に与える影響をモデル化する入力として使用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自転軌道軸不整合は、過去に観測された DI Her の慢性的な近日点運動速度の原因としてどの程度寄与しているか？
• RQ2 現代の物理的入力を持つ更新された星進化モデルは、予測される近日点運動速度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 一般相対性理論および潮汐効果を含む理論的予測と新しい観測近日点運動速度との間の形式的一致度はどの程度か？
• RQ4 ロシター＝マクラウリン測定パラメータ（例：λ, v sinβ）の不確実性は、理論的近日点運動速度にどの程度感度を示すか？
• RQ5 過去の研究で観測された約50%の不一致は、改善された測定とモデリングによって完全に解消可能か？

主な発見

• 新しい測定された近日点運動速度は +0.00042 deg cycle⁻¹ であり、更新された光度測定観測から得られた。
• モンテカルロシミュレーションからの理論的予測は +0.00046 deg cycle⁻¹ であり、分布の最頻値である。
• 回転に起因する扁平化による後退寄与は -0.00056 deg cycle⁻¹ であり、一般相対性理論および潮汐寄与を相殺している。
• 一般相対性理論による近日点運動速度への寄与は +0.00068 deg cycle⁻¹ であり、この系において支配的役割を果たしていることを確認した。
• 潮汐寄与は +0.00034 deg cycle⁻¹ であり、近接連星系として期待される大きさと整合的である。
• 理論と観測の間の形式的差は今やわずか10%にまで低下し、観測誤差の範囲内に収まり、長年の不一致が解消された。