[論文レビュー] Hot subdwarf binaries from the MUCHFUSS project - Analysis of 12 new systems and a study of the short-period binary population

Thomas Kupfer, S. Geier+7 more|Keele Research Repository (Keele University)|Jan 15, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 120被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、MUCHFUSS調査で発見された12個の新しいホット亜水平星連星系について、軌道的・大気的パラメータを提示し、そのうち3つが白色矮星を伴う可能性が示唆され、その中には希少な低質量ヘリウムコア白色矮星を有するものも含まれる。この研究では、0.1 M⊙（矮星型天体）と0.4 M⊙（白色矮星）にピークを持つ二峰性の最小同伴星質量分布を明らかにした。16個の系はカタストロフィック変星に進化すると予測され、12個の白色矮星連星系はハッブル時間以内に合体すると予想され、その中にはタイプIa超新星の前身星やAM CVn系も含まれる。

ABSTRACT

The project Massive Unseen Companions to Hot Faint Underluminous Stars from SDSS (MUCHFUSS) aims at finding hot subdwarf stars with massive compact companions like massive white dwarfs (M>1.0 M$_\odot$), neutron stars, or stellar-mass black holes. We present orbital and atmospheric parameters and put constraints on the nature of the companions of 12 close hot subdwarf B star (sdB) binaries found in the course of the MUCHFUSS project. The systems show periods between 0.14 and 7.4 days. Three systems most likely have white dwarf companions. SDSS J083006.17+475150.3 is likely to be a rare example of a low-mass helium-core white dwarf. SDSS J095101.28+034757.0 shows an excess in the infrared that probably originates from a third companion in a wide orbit. SDSS J113241.58-063652.8 is the first helium deficient sdO star with a confirmed close companion. This study brings to 142 the number of sdB binaries with orbital periods of less than 30 days and with measured mass functions. We present an analysis of the minimum companion mass distribution and show that it is bimodal. One peak around 0.1 M$_\odot$ corresponds to the low-mass main sequence and substellar companions. The other peak around 0.4 M$_\odot$ corresponds to the white dwarf companions. The derived masses for the white dwarf companions are significantly lower than the average mass for single carbon-oxygen white dwarfs. In a T$_{ m eff}$-log(g) diagram of sdB+dM companions, we find signs that the sdB components are more massive than the rest of the sample. The full sample was compared to the known population of extremely low-mass white dwarf binaries as well as short-period white dwarfs with main sequence companions. Both samples show a significantly different companion mass distribution. We calculate merger timescales and timescales when the companion will fill its Roche Lobe and the system evolves into a cataclysmic variable.

研究の動機と目的

• スペクトロスコピック解析を用いて、質量の大きなコンactな同伴星（白色矮星、中性子星、ブラックホールを含む）を有するホット亜水平星B星を同定・特徴付けること。
• 周期が0.14〜7.4日である12個の新規に発見されたsdB連星系の軌道的および大気的パラメータを決定すること。
• 特に白色矮星および低質量星の同伴星に注目し、これらの系における見えない同伴星の性質を調査すること。
• 短周期sdB連星系における最小同伴星質量分布を分析し、二重星進化および合体経路に与える意味を評価すること。
• カタストロフィック変星、AM CVn星、またはRCrB星に進化する可能性のある系を同定し、そのうちタイプIa超新星の前身星となる可能性を評価すること。

提案手法

• SDSS調査から得た12個のホット亜水平星B星のスペクトロスコピックモニタリングにより、径速度変動を測定し、軌道要素を導出すること。
• 高分解能スペクトロスコピによる大気的パラメータの決定により、効果温度（Teff）、表面重力（log g）、金属量を取得すること。
• 径速度アスペクトの振幅から質量関数を計算し、見えない同伴星の最小質量を制約すること。
• 観測された同伴星質量分布を、二重星進化理論モデルおよび既知の白色矮星・カタストロフィック変星の集団と比較すること。
• 赤外線光度測定および過剰放射の分析により、広い軌道にある第三天体同伴星の探索を行うこと。
• 進化時系列モデルを用いて、将来的な進化経路（ロッシュ・ローブの溢出、二重星合体など）を予測すること。

Figure 1: Radial velocity plotted against orbital phase. The RV data were phase folded with the most likely orbital periods and are plotted twice for better visualisation. The residuals are plotted below. The RVs were measured from spectra obtained with SDSS (squares), CAHA3.5m/TWIN (upward triangle

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12個の新規に発見された短周期ホット亜水平星B星連星系における見えない同伴星の性質は何か？
• RQ2 sdB連星系における最小同伴星質量分布は、白色矮星および低質量星の存在を踏まえて、二重星進化モデルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 同定された系のうち、ハッブル時間以内にカタストロフィック変星、AM CVn系、またはRCrB星に進化する可能性があるのはどれか？
• RQ4 これらの系のうち、タイプIa超新星の前身星となる可能性があるものは存在するか？ また、それらは単一劣化チャネルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 SDSS J095101.28+034757.0のような階層的三重連星系の存在を示す証拠は何か？ それらは軌道的・進化的モデルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 12個の系のうち9個は同伴星の明確な分類が不可能であるが、残りの3つは白色矮星を伴う可能性が高く、その中でもSDSS J083006.17+475150.3は希少な低質量ヘリウムコア白色矮星を有する。
• 最小同伴星質量分布は二峰性を示し、ピークは約0.1 M⊙（矮星型天体）および約0.4 M⊙（白色矮星）に位置し、別個の進化経路を示唆する。
• 得られた白色矮星同伴星の質量は、単一の炭素酸化物白色矮星の平均よりも顕著に低いことから、特異な形成経路を示唆する。
• 16個の系がハッブル時間以内にカタストロフィック変星に進化すると予測され、そのうち2つは褐色矮星を供給星とする。
• 白色矮星同伴星が確認された12個の系はハッブル時間以内に合体すると予想され、そのうち2つは安定なAM CVn型連星に進化すると予想され、2つはタイプIa超新星の前身星候補である。
• 追加で8つの系が合体し、白色矮星同伴星の内部構造に応じてRCrB星または質量の大きなC/O白色矮星を形成すると予想される。

Figure 2: Radial velocity plotted against orbital phase (see Fig 1 ).