[論文レビュー] The evolution of helium white dwarfs: I. The companion of the millisecond pulsar PSR J1012+5307

T. Driebe, D. Sch"onberner+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、低質量ヘリウムコア白色矮星（0.179–0.414 M☉）の進化軌道を提示し、冷却および水素シェル燃焼をモデル化している。水素フラッシュは0.21から0.3 M☉の質量範囲でのみ発生し、低温でも水素シェルの放射率が支配的であることが判明した。これにより、ミリ秒パulsar PSR J1012+5307の伴星の冷却年齢は6 ± 1 Gyrに決定され、パルサーのスピンダウン年齢7 Gyrと整合的である。

ABSTRACT

We present a grid of evolutionary tracks for low-mass white dwarfs with helium cores in the mass range from 0.179 to 0.414 Msol. The lower mass limit is well-suited for comparison with white dwarf companions of millisecond pulsars. The tracks are based on a 1 Msol model sequence extending from the pre-main sequence stage up to the tip of the red-giant branch. Applying large mass loss rates at appropriate positions forced the models to move off the giant branch. The further evolution was then followed across the Hertzsprung-Russell diagram and down the cooling branch. At maximum effective temperature the envelope masses above the helium cores increase from 0.6 to 5.4 x 10^{-3} Msol for decreasing mass. We carefully checked for the occurrence of thermal instabilities of the hydrogen shell by adjusting the computational time steps accordingly. Hydrogen flashes have been found to take place only in the mass interval 0.21 < M/Msol < 0.3. The models show that hydrogen shell burning contributes significantly to the luminosity budget of white dwarfs with helium cores. For very low masses the hydrogen shell luminosity remains to be dominant even down to effective temperatures well below 10000K. Accordingly, the corresponding cooling ages are significantly larger than those gained from model calculations which neglect nuclear burning or the white dwarf progenitor evolution. Using the atmospheric parameters of the white dwarf in the PSR J1012+5307 system we determined a mass of M=0.19 +/- 0.02 Msol and a cooling age of 6 +/- 1 Gyr, in good agreement with the spin-down age, 7 Gyr, of the pulsar.

研究の動機と目的

• 0.179から0.414 M☉の間の低質量ヘリウムコア白色矮星の進化をモデル化すること。
• これらの白色矮星の光度および冷却に与える水素シェル燃焼の役割を調査すること。
• 詳細な進化モデルを用いて、ミリ秒パルサーPSR J1012+5307の白色矮星伴星の冷却年齢を特定すること。
• 前身星の進化および核反応の影響が、これらの効果を無視したモデルと比較して冷却年齢推定値に与える影響を評価すること。
• 導出された白色矮星冷却年齢とパルサーのスピンダウン年齢との整合性を検証すること。

提案手法

• 初期質量1 M☉のモデル系列から進化軌道を構築し、準主系列から赤超巨星分岐点までをカバーした。
• 適切な進化段階で大きな質量損失率を適用し、巨星分岐点から離脱させ、白色矮星冷却系列に誘導した。
• ヘルツシュプラング＝ラッセル図上での進化を追跡し、冷却分岐点に沿って進化させ、熱的不安定性を検出するための時間刻みの精密な調整を実施した。
• 水素シェル燃焼の放射率をモニタリングし、数値的安定性のチェックを通じて水素フラッシュの発生条件を同定した。
• PSR J1012+5307の白色矮星伴星の大気パラメータを用いて、質量および冷却年齢を制約した。
• 導出された冷却年齢とパルサーのスピンダウン年齢を比較し、整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素シェル燃焼は、低質量ヘリウムコア白色矮星の光度および冷却にどのような影響を与えるか？
• RQ2 ヘリウムコア白色矮星において、水素フラッシュが発生するのはどの質量範囲か？
• RQ3 前身星の進化および核反応を含むモデルから導かれる冷却年齢は、これらの効果を無視した簡略化モデルと比較してどう異なるか？
• RQ4 ミリ秒パルサーPSR J1012+5307の白色矮星伴星の冷却年齢は何か？ また、パルサーのスピンダウン年齢と比較するとどうなるか？
• RQ5 ヘリウムコアの上にあるエンベロープ質量が、低質量白色矮星の進化軌道および熱的構造に与える影響はどの程度か？

主な発見

• 水素フラッシュは0.21 < M/M☉ < 0.3の質量範囲でのみ発生し、0.21 M☉未満または0.3 M☉を超える質量では発生しない。
• 水素シェル燃焼は光度予算に顕著な寄与を示し、非常に低質量白色矮星においても有効温度が10,000 K未満であっても支配的である。
• PSR J1012+5307の白色矮星伴星の質量は、大気パラメータと進化モデルから0.19 ± 0.02 M☉と特定された。
• 白色矮星伴星の冷却年齢は6 ± 1 Gyrであり、パルサーのスピンダウン年齢7 Gyrと良好に一致している。
• 前身星の進化および水素シェル燃焼を含むモデルから導かれる冷却年齢は、これらの効果を無視したモデルの結果よりも顕著に長くなる。
• 白色矮星の全質量が0.414から0.179 M☉に低下するに従い、ヘリウムコア上のエンベロープ質量は0.6から5.4 × 10⁻³ M☉に増加する。