[論文レビュー] Efficiency of ETV diagrams as diagnostic tools for long-term period variations. II. Non-conservative mass transfer, and gravitational radiation

N. Nanouris, A. Kalimeris+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 74被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、非保存的質量移動および重力放射による駆動による連星における長期的周期変化を検出するための日食時系列変動（ETV）図の診断的有用性を評価する。実験的角運動量損失パラメータ化を用いた $\dot{J}-\dot{P}$ 軌道進化モデルを用い、L2/L3ラグランジュ点を通じる質量移動—特にL3点—が、低質量比（$q \leq 0.3$）でさえ周期の減少を引き起こす可能性があることを明らかにした。一方、重力放射の効果は、特に対流的変動星（cataclysmic variables）でのみ検出可能である。臨界質量比（$q_{\text{cr}} \approx 0.83$）は、特に円盤降着系において周期の単調性が反転する点を示す。

ABSTRACT

The credibility of an eclipse timing variation (ETV) diagram analysis is investigated for various manifestations of the mass transfer and gravitational radiation processes in binary systems. The monotonicity of the period variations and the morphology of the respective ETV diagrams are thoroughly explored in both the direct impact and the accretion disk mode of mass transfer, accompanied by different types of mass and angular momentum losses (through a hot-spot emission from the gainer and via the L2/L3 points). Mass transfer rates comparable to or greater than 10^{-8} M_sun/yr are measurable for typical noise levels of the ETV diagrams, regardless of whether the process is conservative. However, the presence of a transient disk around the more massive component defines a critical mass ratio q_cr ~ 0.83 above which the period turns out to decrease when still in the conservative regime, rendering the measurability of the anticipated variations a much more complicated task. The effects of gravitational radiation proved to be rather undetectable, except for systems with physical characteristics that only refer to cataclysmic variables. Unlike the hot-spot effects, the Lagrangian points L2 and L3 support very efficient routes of strong angular momentum loss. It is further shown that escape of mass via the L3 point - when the donor is the less massive component - safely provides critical mass ratios above which the period is expected to decrease, no matter how intense the process is.

研究の動機と目的

• 非保存的質量移動および重力放射がETV図に与える影響を、長期的周期変動の診断的ツールとして評価すること。
• L2/L3点を通じる角運動量損失またはホットスポット放射によって引き起こされる、ETV図における周期の単調性の反転が生じる臨界質量比値（$q_{\text{cr}}$）を特定すること。
• 通常のETVノイズレベル下で、質量移動率（$\sim 10^{-8}\,M_{\odot}\text{yr}^{-1}$）および重力放射効果の測定可能性を評価すること。
• ホットスポット放射、L2/L3放出、重力放射の各角運動量損失機構のETV図の形状に与える影響の効率を比較すること。
• 保存的または逆方向のメカニズムが存在する中で、周期減少が生じる条件を特定すること。

提案手法

• Kalimeris & Rovithis-Livaniou (2006) から導出した $\dot{J}-\dot{P}$ 関係式を用い、両星からの質量および角運動量損失を含めた一般化された Tout & Hall (1991) のモデルを拡張する。
• ホットスポット放射およびL2/L3質量放出のための半解析的ボールスティックモデルからの経験的関係式を用いて、角運動量輸送をパラメータ化する。
• 数値的に軌道進化方程式を解き、異なる質量移動モードおよび保存的度合いに対応する予想される日食時系列変動（$\Delta T$）を計算する。
• 観測ノイズレベルと予測されたETV信号振幅を比較することで、各メカニズムの最小検出可能 timescale を評価する。
• 周期進化が増加から減少に転換する臨界質量比（$q_{\text{cr}}$）を特定する。特にL3点からの質量損失に注目する。
• 標準的四極子公式を用いて重力放射効果を評価し、さまざまな連星構成における他のメカニズムと信号振幅を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ETV図は、L2およびL3ラグランジュ点を通じる非保存的質量移動を信頼性高く検出可能か？また、ホットスポット放射と比較してどう異なるか？
• RQ2 L2またはL3点を通じる角運動量損失によって、質量移動率に依存せず、周期が減少する臨界質量比（$q_{\text{cr}}$）はどの程度か？
• RQ3 保存的質量移動、ホットスポットを通じる非保存的移動、L2/L3放出の各状況におけるETV図の形状は、どのように異なるか？
• RQ4 特に対流的変動星において、重力放射効果はETV図でどの程度検出可能か？
• RQ5 降着円盤がより大きな質量を持つ成分の周囲に一時的に存在する場合、予想される周期進化にどのような影響を与え、ETV図の解釈を複雑にするか？

主な発見

• 通常のノイズレベル下でも、$10^{-8}\,M_{\odot}\text{yr}^{-1}$ 以上の質量移動率は、保存的・非保存的を問わずETV図で測定可能である。
• 円盤降着系では、L3点を通じる角運動量損失のため、保存的状態であっても周期が減少する臨界質量比 $q_{\text{cr}} \approx 0.83$ が存在する。
• L3点からの質量損失により、寄与星が第二星である低質量比（$q \leq 0.3$）でも周期の減少が可能となり、周期減衰の主要メカニズムとなる。
• L2およびL3点はホットスポット放射よりも効率的な角運動量損失をもたらし、特にL3点は周期減少を誘発する点で顕著に効果的である。
• 重力放射効果は、特に対流的変動星を除き、ほとんどの系では検出不能であり、ETV図に解像可能な信号をもたらすのは対流的変動星に限られる。
• より大きな質量を持つ成分の周囲に一時的な降着円盤が存在すると、周期進化が非単調的になり、ETV図の解釈を複雑にする。