[論文レビュー] Mass-radius relations for white dwarf stars of different internal compositions

J. A. Panei, L. G. Althaus+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、ヘリウム、炭素、酸素、ケイ素、鉄の核を持つ白色矮星の詳細な有限温度下での質量-半径関係を、完全に更新された星の進化コードを用いて提示する。観測された白色矮星、例えばプロキオンBやEG 50が鉄核モデルと整合するためには、非ゼロの温度と拡散効果を含める必要があると判明し、標準的進化理論に挑戦するものであり、特異に高密度で鉄に富んだ白色矮星の形成メカニズムが、標準的経路を超えて存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

The purpose of this work is to present accurate and detailed mass-radius relations for white dwarf (WD) models with helium, carbon, oxygen, silicon and iron cores, by using a fully updated stellar evolutionary code. We considered masses from 0.15 to 0.5 Mo for the case of helium core, from 0.45 to 1.2 Mo for carbon, oxygen and silicon cores and from 0.45 to 1.0 Mo for the case of an iron core. In view of recent measurements made by Hipparcos that strongly suggest the existence of WDs with an iron-dominated core, we focus our attention mainly on the finite-temperature, mass-radius relations for WD models with iron interiors. Furthermore, we explore the effects of gravitational, chemical and thermal diffusion on low-mass helium WD models with hydrogen and helium envelopes.

研究の動機と目的

• 多様な内部組成、特に鉄に富んだ核を有する白色矮星の正確な質量-半径関係を計算し、このような天体に関する観測的主張を検証すること。
• 異常な小径の半径を示す観測された白色矮星（例えばプロキオンBやEG 50）が、標準的な炭素-酸素組成ではなく鉄核を有するものとして説明可能かどうかを調査すること。
• 重力沈降、化学的および熱的拡散が、水素/ヘリウム大気を有する低質量ヘリウム白色矮星の質量-半径関係に与える影響を検討すること。
• 将来の高精度観測データとの比較に役立つ、包括的かつ物理的に整合性のあるモデルのセットを提供すること。

提案手法

• 有限温度効果、電子縮重、非理想状態方程式（クーロンおよびトーマス-フェルミ補正を含む）を組み込んだ完全な星の進化コードを用いた。
• 重力沈降と組成の分層をモデル化するため、水素、ヘリウム、重金属の多成分拡散方程式をコードに組み込んだ。
• 核質量を0.15 M☉から1.2 M☉の範囲で変化させ、水素およびヘリウム大気質量（MH/M* = 0および10⁻⁵から3×10⁻⁴）を変化させた系列を計算した。
• 前白色矮星段階から白色矮星冷却段階までモデルを進化させ、熱的および組成的構造を追跡した。
• 鉄、炭素、酸素、ケイ素、ヘリウムの核を有するモデルについて、水素大気の有無を含めた質量-半径関係を生成した。
• 観測された白色矮星との整合性を評価するため、ヒッパルコスのパラレックスおよびProvencalら（1998年）の効果的温度データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロキオンBおよびEG 50の観測された質量と半径は、標準的な炭素-酸素白色矮星モデルで説明可能か、それとも鉄核組成を必要とするか？
• RQ2 有限温度効果および電子縮重が、鉄核白色矮星の質量-半径関係に与える影響は、ゼロ温度近似と比べてどの程度顕著か？
• RQ3 重力沈降および化学的・熱的拡散が、水素を含む低質量ヘリウム白色矮星の予測される質量-半径関係にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 一部の白色矮星の観測半径が、標準的核組成では説明できないほど小さく、特異に高密度な内部構造（鉄や素粒子物質）を示唆するか？
• RQ5 超新星爆発や中性子星形成が存在しない状況で、鉄核白色矮星を生成する物理的メカニズムは何か？

主な発見

• プロキオンBおよびEG 50の半径は、標準的な炭素-酸素白色矮星モデルの予測よりも顕著に小さく、より高密度な核組成を示唆している。
• 有限温度効果を含めると、プロキオンBおよびGD 140の観測パラメータは鉄核モデルと整合的であり、特に観測された効果的温度において顕著である。
• EG 50の観測半径は、鉄核モデルの予測値よりも小さく、これは、既知の白色矮星組成よりもさらに高密度である可能性を示唆している。
• 拡散プロセスは、特に水素大気を有する低質量ヘリウム白色矮星の質量-半径関係に顕著な影響を及ぼし、拡散を無視したモデルは観測との比較には不適切である。
• 40 Eri Bの観測パラメータは、炭素-酸素またはケイ素核と薄い水素大気と整合的であるが、観測温度では鉄核モデルとは整合しない。
• 結果から、観測が正しいとすれば、低質量星における鉄核白色矮星の形成には、標準的星の進化理論を超えた物理的メカニズム（例えば、ONeMg核の爆発的 ignitions）が必要であると示唆される。