[論文レビュー] Post-common-envelope binaries from SDSS. XI: The white dwarf mass distributions of CVs and pre-CVs

M. Zorotovic, M. R. Schreiber+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 149被引用数 143

ひとこと要約

本研究は、SDSSデータを用いて、増光星（CV）とその前身系である前増光星（pre-CVs）における白色矮星（WD）質量分布を比較した。CVでは平均WD質量が0.83 ± 0.23 M☉であり、pre-CVsの0.67 ± 0.21 M☉よりも顕著に高いことが判明した。これは、CVにおける高質量WDが観測バイアスによるものではなく、内在的な進化過程に起因するものであり、標準的なCV進化モデルに疑問を呈するとともに、Ia超新星の前身星に関する新たな示唆を示している。

ABSTRACT

We have known for a long time that many of the measured white dwarf (WD) masses in cataclysmic variables (CVs) significantly exceed the mean mass of single WDs. This was thought to be related to observational biases, but recent high-precision measurements of WD masses in a great number of CVs are challenging this interpretation. We review the measured WD masses of CVs, determine the WD-mass distribution of an extensive sample of post-common-envelope binaries (PCEBs) that are representative for the progenitors of the current CV population (pre-CVs) and compare both distributions. We calculate the CV formation time of the PCEBs in our sample by determining the post common-envelope (CE) and the main-sequence evolution of the binary systems and define a pre-CV to be a PCEB that evolves into a semi-detached configuration with stable mass transfer within less than the age of the Galaxy. Possible observational biases affecting the WD-mass distribution for the pre-CV and the CV samples are discussed. The mean WD mass among CVs is =0.83\pm0.23 Msun, much larger than that found for pre-CVs, =0.67\pm0.21 Msun. Selection effects cannot explain the high WD masses observed in CVs and we here suggest two possible explanations, both of which imply substantial revisions to the standard model of CV evolution: either most CVs have formed above the orbital-period gap (which requires a high WD mass to initiate stable mass transfer or a previous phase of thermal-timescale mass transfer), or the mass of the WDs in CVs grows through accretion (which strongly disagrees with the predictions of classical nova models). Both options may imply that CVs contribute to the single-degenerate progenitors of Type Ia supernovae. The number of He-core WDs found in CVs (<=10%) is roughly consistent with the number of He-core WDs in pre-CVs (<=17+-8%), which indicates a low value of the CE efficiency.

研究の動機と目的

• 観測された増光星（CV）における白色矮星（WD）の高質量が、その前身系に由来するものか、観測バイアスに起因するものかを特定すること。
• SDSSデータを用いて、分離した後共通エンvelope双星（PCEBs）の代表的サンプルにおける白色矮星質量分布を測定すること。
• pre-CVsとCVのWD質量分布を比較し、CVにおける高質量が共通エンベロープ段階で既に印字されているかどうかを評価すること。
• 共通エンベロープ効率と新星噴出の影響が、CVにおけるWD質量に与える役割を評価し、二重星集団合成モデルの予測を検証すること。
• pre-CVsおよびCVにおけるヘリウムコア白色矮星の割合を調査し、共通エンベロープ段階の効率に関する制約を導くこと。

提案手法

• スローンデジタルスカイサーベイ（SDSS）から、分光および光度測定データを用いて白色矮星質量と公軌道周期を特定した54個のPCEBsのサンプルを同定した。
• 二重星系の共通エンベロープ後進化および主系列星の進化をモデル化することで、CVの形成時刻を算出した。
• 銀河の年齢（約13 Gyr）以内に安定質量移動を伴う半分離状態に進化する場合、その系をpre-CVと定義した。
• 径速度および光度測定値を用いて、白色矮星質量、有効温度、表面組成を導出した。
• pre-CVおよびCVサンプルにおける選択効果、すなわち明るさの限界、検出バイアス、スペクトル型依存性を考慮した。
• 観測されたWD質量分布を、特にヘリウムコアWDの割合に注目して、二重星集団合成モデルの予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 増光星（CV）で観測された白色矮星の高質量は、観測選択バイアスに起因するのか、それとも内在的な進化過程に起因するのか？
• RQ2 前増光星（pre-CVs）—CVの前身である分離した後共通エンベロープ双星—における白色矮星質量分布は、CVで観測された分布と比べてどう異なるか？
• RQ3 pre-CVsおよびCVにおけるヘリウムコア白色矮星の観測された割合は、標準的な二重星進化モデルの予測と一致するか？
• RQ4 共通エンベロープ進化および新星侵食による予想される低質量と、観測されたCVにおける高質量WDとの乖離は、再考された進化経路によって説明可能か？
• RQ5 観測されたWD質量分布の結果は、CVがIa超新星の単一密度前身星として果たす役割にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• CVにおける平均白色矮星質量は0.83 ± 0.23 M☉であり、pre-CVsの0.67 ± 0.21 M☉よりも顕著に高い。これは、高質量が選択バイアスに起因するものではないことを示唆している。
• CVにおけるヘリウムコア白色矮星の観測割合は≤10%、pre-CVsでは≤17 ± 8%であり、両者ともモデル予測より著しく低い。これは共通エンベロープ効率が低いことを示唆している。
• CVにおける高質量WDは、両サンプルが慎重に選別され、検出限界およびスペクトル型依存性の補正がなされたにもかかわらず、観測バイアスでは説明できない。
• 観測値と予測値の間の乖離は、大多数のCVが軌道周期ギャップの上に形成される（安定質量移動に必要な高質量WDを要する）か、またはWD質量が堆積によって増加する（古典的新星モデルに反する）という、再考された進化経路を示唆している。
• pre-CVsとCVにおけるヘリウムコアWDの割合の整合性は、共通エンベロープ効率が低いことと一致し、二重星進化モデルにおける標準的仮定に疑問を呈している。
• 結果から、CVは特にWD質量が堆積によって増加する場合、Ia超新星の単一密度前身星として貢献している可能性があると示唆される。