[論文レビュー] Population synthesis for double white dwarfs. II. Semi-detached systems: AM CVn stars

G. Nelemans, Simon Portegies Zwart+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用数 156

ひとこと要約

本論文は、二重白色矮星連星における質量転移とヘリウム星の供給という二つの経路を通じて、AM CVn星の形成をモデル化している。非定常的質量転移の安定性は、吸着ディスクが存在しない場合、潮汐結合に依存する。爆発的ヘリウム燃焼は系を破壊する可能性があり、銀河系における誕生率は1.1–6.8×10⁻³ yr⁻¹、全系統数は1.6–9.4×10⁷系に達する。観測可能な系統数は選択効果によって制限を受ける。

ABSTRACT

We study two models for AM CVn stars: white dwarfs accreting (i) from a helium white dwarf companion and (ii) from a helium-star donor. We show that in the first model possibly no accretion disk forms at the onset of mass transfer. The stability and the rate of mass transfer then depend on the tidal coupling between the accretor and the orbital motion. In the second model the formation of AM CVn stars may be prevented by detonation of the CO white dwarf accretor and the disruption of the system. With the most favourable conditions for the formation of AM CVn stars we find a current Galactic birth rate of 6.8 10^{-3} yr^{-1}. Unfavourable conditions give 1.1 10^{-3} yr^{-1}. The expected total number of the systems in the Galaxy is 9.4 10^{7} and 1.6 10^{7}, respectively. We model very simple selection effects to get some idea about the currently expected observable population and discuss the (quite good) agreement with the observed systems.

研究の動機と目的

• 二重白色矮星系における質量転移およびヘリウム星供給からのAM CVn星形成経路を調査すること。
• 通常は角運動量フィードバックを提供する吸着ディスクが存在しない場合の質量転移の安定性を評価すること。
• 特にCO白色矮星吸着子を有する系において、爆発的ヘリウム燃焼がAM CVn系の生存に与える影響を評価すること。
• 異なる物理的仮定のもとで、銀河系におけるAM CVn星の誕生率と全系統数を推定すること。
• 観測系と比較し、基本的な選択効果を考慮したモデル予測を検討すること。

提案手法

• 人口合成シミュレーションにより、主系列星のゼロ年齢から半分離状態に至るまでの連星進化を追跡し、重力波駆動による軌道減衰を組み込む。
• 重力波放射による角運動量損失率は、標準的公式により計算される: (dJ/dt)_GWR = -32/5 G³/c⁵ M m (M+m)/a⁴。
• 質量転移の安定性は、q < 5/6 + ζ(m)/2 という条件により決定され、ここで q = m/M であり、ζ(m) は供給星の対数的半径勾配である。
• 吸着ディスクが存在しない系では、吸着子と軌道間の潮汐結合効率が安定性にきわめて重要である。
• 爆発的ヘリウム燃焼は、質量転移率と質量蓄積に基づきモデル化され、CO白色矮星の場合は約0.7 M☉で爆発が発生する。
• 二つのモデルを構築した：『効率的』（ディスクなしの安定性が重要でない）と『非効率的』（ディスクなしの安定性が重要）で、それぞれの爆発閾値は0.15 M☉ と 0.3 M☉ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AM CVn星に進化する予定の二重白色矮星系において、吸着ディスク形成が質量転移の安定化に果たす役割は何か？
• RQ2 吸着ディスクが存在しない場合、半分離状態の二重白色矮星の安定性と生存確率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 CO白色矮星吸着子における爆発的ヘリウム燃焼が、潜在的なAM CVn系をどれほど破壊するか？
• RQ4 ディスク形成と爆発閾値に関する異なる仮定のもとで、予測される銀河系のAM CVn星の誕生率と全系統数は何か？
• RQ5 単純な選択効果が、観測可能なAM CVn星の期待系統数に与える影響は何か？また、観測系と比較するとどうなるか？

主な発見

• 吸着ディスクが存在しない場合、二重白色矮星系における質量転移の安定性は、吸着子と軌道間の潮汐結合に強く依存し、非効率的結合では合体が生じる。
• ディスクが形成されない場合、二重白色矮星からのAM CVn星形成は著しく抑制されるが、潮汐結合が効率的であれば、磁気的結合が強い系が支配的になる可能性がある。
• 爆発的ヘリウム燃焼は系を破壊する可能性があり、特にヘリウム星供給経路において、CO白色矮星吸着子が約0.7 M☉に達した時点で爆発が発生する。
• 銀河系におけるAM CVn星の誕生率は、ディスク形成と爆発閾値に関する仮定に応じて1.1×10⁻³ yr⁻¹（不利な条件）から6.8×10⁻³ yr⁻¹（有利な条件）の範囲に達する。
• 銀河系内におけるAM CVn系の全系統数は、不利な条件で1.6×10⁷（不利）～9.4×10⁷（有利）と推定され、観測可能な系統数は選択効果によって減少する。
• 単純な選択効果から、『非効率的』モデルでは、観測可能な可能性のある系の約1/30が二重白色矮星から来ると予想されるが、『効率的』モデルでは両経路がほぼ同等に寄与し、観測された周期分布と整合的である。