[論文レビュー] Hot subdwarf stars in close-up view I. Rotational properties of subdwarf B stars in close binary systems and nature of their unseen companions

S. Geier, U. Heber+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用数 51

ひとこと要約

本研究は、高分解能分光法を用いて51個の近接連星系における熱い亜水平星B（sdB）の回転特性を分析し、その見えない連星同伴星の質量および性質を推定する。周期が1.2日未塔の系では軌道的同期化が発生していることが判明し、白色矮星が9個、M型矮星が7個、褐色矮星が1個、さらにチャンドラセカール限界に近いかそれ以上の質量を持つ同伴星を有する複数の系が特定された。これは中性子星またはブラックホールを示唆している。

ABSTRACT

The origin of hot subdwarf B stars (sdBs) is still unclear. About half of the known sdBs are in close binary systems for which common envelope ejection is the most likely formation channel. Little is known about this dynamic phase of binary evolution. Due to the tidal influence of the companion in close binary systems, the rotation of the primary becomes synchronised to its orbital motion. In this case it is possible to constrain the mass of the companion, if the primary mass, its projected rotational velocity as well as its surface gravity are known. For the first time we measured the projected rotational velocities of a large sdB binary sample from high resolution spectra. We analysed a sample of 51 sdB stars in close binaries, 40 of which have known orbital parameters comprising half of all such systems known today. Synchronisation in sdB binaries is discussed both from the theoretical and the observational point of view. The masses and the nature of the unseen companions could be constrained in 31 cases. The companions to seven sdBs could be clearly identified as late M stars. One binary may have a brown dwarf companion. The unseen companions of nine sdBs are white dwarfs with typical masses. The mass of one white dwarf companion is very low. In eight cases the companion mass exceeds 0.9 solar masses, four of which even exceed the Chandrasekhar limit indicating that they may be neutron stars. Even stellar mass black holes are possible for the most massive companions. The distribution of the inclinations of the systems with low mass companions appears to be consistent with expectations, whereas a lack of high inclinations becomes obvious for the massive systems. We show that the formation of such systems can be explained with common envelope evolution and present an appropriate formation channel including two phases of unstable mass transfer and one supernova explosion.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、近接連星系におけるsdB星の回転特性を特定すること。
• 通常は特徴づけにくい単線分光連星における見えない同伴星の質量および性質を推定すること。
• 短周期sdB連星系における潮汐的同期化の仮説を検証し、同伴星質量推定に与える影響を評価すること。
• 特に共通エンvelope進化および不安定質量移動を通じた質量の大きなsdB連星の形成メカニズムを調査すること。
• 回転および軌道的制約を用いて、中性子星またはブラックホールである可能性のあるコンactな質量を持つ同伴星を有する候補系を特定すること。

提案手法

• 51個の近接連星系におけるsdB星の高分解能可視光分光法から、投影回転速度（v sin i）を測定した。
• 既知の表面重力（log g）および主星質量と組み合わせ、二重星質量関数を用いて軌道の傾きおよび同伴星質量を推定した。
• 周期および離心率の軌道パラメータを用いて、P < 1.2日である系ではスピン-軌道ロックを仮定し、潮汐的同期化を評価した。
• 共通エンvelope進化および不安定質量移動の理論的モデルを適用し、質量の大きな同伴星の形成を説明した。
• 空間望遠鏡（例：MOST、Kepler）の光曲線データを評価し、質量が大きくコンパクトな同伴星に起因する楕円形変光の兆候を検出した。
• 質量の大きな見えない同伴星を有する候補系において、X線および電波観測を提案し、弱い風降着またはパルサーの兆候を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sdB星の近接連星系において、回転同期化はどの程度観測され、どの軌道周期で支配的になるのか？
• RQ2 特に高い推定同伴星質量を示す系において、見えない同伴星の質量および性質は何か？
• RQ3 回転および軌道的制約を用いて、sdB系に中性子星またはブラックホールが存在することを確認できるか？
• RQ4 sdB連星の観測された傾き分布は理論的予測とどのように一致するか？ これにより同伴星質量推定にどのような含意が生じるか？
• RQ5 赤巨星分支を通過した直後の星における回転の加速が継続している兆候は見られるか？ これは回転同期化の解釈に影響を与える可能性があるか？

主な発見

• 周期が1.2日未塔のsdB連星系では、回転同期化が強く支持されており、潮汐的ロックが成立していることが示唆される。
• 31の系で見えない同伴星の質量および性質が制約された：7つは後期M型矮星と確認され、1つは褐色矮星候補であり、9つは典型的な質量を持つ白色矮星である。
• 1つの白色矮星同伴星は非常に低質量であるが、残りの9つは0.9 M☉を超える質量を示しており、特にPG 1743+477およびHE 0532-4503の2つの系では、チャンドラセカール限界に近いかそれ以上の質量を示している。
• 質量の大きな同伴星を有する低傾き系の割合が非常に高いことは理論的予測と矛盾しており、質量の大きなコンパクトな同伴星を有する高傾き系も存在する必要があると示唆している。
• 質量の大きな同伴星を有する候補系では、ROSAT調査においてローブオーバーフローまたはX線放射の兆候は確認されなかったが、弱い風降着に起因するX線放射は依然として可能であり、ChandraやXMM-Newtonで検出可能である。
• HSTまたはKeplerによる高精度光度測定が、最も有望な候補系における楕円形変光を検出するために推奨される。また、Hyper-MUCHFUSSプロジェクトは、質量の大きな見えない同伴星を有する高傾き系の探索を活発に行っている。