[論文レビュー] The spin rates and flattening of O stars in WR + O binaries. I. Motivation, methodology and first results from SALT

Michael M. Shara, Steven M. Crawford+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、SALT分光法を用いてWR+O連星系内の10個のO星の回転速度を測定し、すべてが超同期的回転であることを発見した。平均的な赤道速度はヘリウムI線で348 km/s、ヘリウムII線で173 km/sであり、WR同伴星からの角運動量移動を示唆している。観測された回転速度（壊滅速度の65%）と理論的予測されたスピンアップ速度（約530 km/s）の差異は、WR段階中に効率的なスピンダウン機構が存在することを示しており、潮汐同期理論に挑戦する。

ABSTRACT

The black holes (BH) in merging BH-BH binaries are likely progeny of binary O stars. Their properties, including their spins, will be strongly influenced by the evolution of their progenitor O stars. The remarkable observation that many single O stars spin very rapidly can be explained if they accreted angular momentum from a mass-transferring, O-type or Wolf-Rayet companion before that star blew up as a supernova. To test this prediction, we have measured the spin rates of eight O stars in Wolf-Rayet (WR) + O binaries, increasing the total sample size of such O stars' measured spins from two to ten. Polarimetric and other determinations of these systems' sin i allow us to determine an average equatorial rotation velocity from HeI (HeII) lines of $v_e$ = 348 (173) km/s for these O stars, with individual star's $v_e$ from HeI (HeII) lines ranging from 482 (237) to 290 (91) km/s. We argue that the $\sim$ 100\% difference between HeI and HeII speeds is due to gravity darkening. Super-synchronous spins, now observed in all 10 O stars in WR + O binaries where it has been measured, are strong observational evidence that Roche lobe overflow mass transfer from a WR progenitor companion has played a critical role in the evolution of WR+OB binaries. While theory predicts that this mass transfer rapidly spins-up the O-type mass gainer to a nearly break-up rotational velocity $v_e \sim 530 $ km/s, the observed average $v_e$ of the O-type stars in our sample is 65\% that speed. This demonstrates that, even over the relatively short WR-phase timescale, tidal and/or other effects causing rotational spin-down must be efficient. A challenge to tidal synchronization theory is that the two longest-period binaries in our sample (with periods of 29.7 and 78.5 days) unexpectedly display super-synchronous rotation.

研究の動機と目的

• WR同伴星からの質量移動が連星系内のO星をスピンアップさせるという仮説を検証すること。
• 偏光法および分光法を用いてWR+O連星系内のO星の回転速度を特定すること。
• 潮汐的またはその他のメカニズムがWR段階中にスピンダウンを引き起こすかどうかを評価すること。
• 理論的予測された壊滅速度に近いスピン速度と観測された低速回転との乖離を調査すること。

提案手法

• 南アフリカ大型望遠鏡（SALT）を用いてヘリウムIおよびヘリウムII線の分光解析を行い、投影回転速度を測定する。
• 偏光測定および軌道解法を用いて軌道傾き（sin i）を特定し、赤道回転速度への補正を可能にする。
• Roche極限を越えた質量移動によるスピンアップの理論的予測と観測された赤道速度を比較する。
• 重力減光モデルを用いて、ヘリウムI線とヘリウムII線から導かれる回転速度の100%の差異を説明する。
• 10個のWR+O連星系内のO星のスピン速度を統計的に分析し、公転周期との傾向を評価する。
• 潮汐同期モデルを適用し、長周期連星系（29.7および78.5日）における予期しない超同期的回転を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WR+O連星系内のO星はどの程度超同期的回転を示し、これは質量移動の歴史にどのような意味を持つのか？
• RQ2 観測された平均赤道回転速度（348 km/s）が、質量移動後の理論的壊滅速度（530 km/s）の65%にとどまるのはなぜか？
• RQ3 これらのO星においてヘリウムI線とヘリウムII線から導かれる回転速度に100%の差異が生じる原因は何か？
• RQ4 2つの長周期連星系（29.7および78.5日）が超同期的回転を示すのは、なぜ潮汐同期理論に反するのか？
• RQ5 強力な初期スピンアップが質量移動によって引き起こされたにもかかわらず、WR段階中にO星が観測されたようにスピンダウンするメカニズムは何か？

主な発見

• WR+O連星系内のO星の平均赤道回転速度は、ヘリウムI線から348 km/s、ヘリウムII線から173 km/sであり、重力減光によるものとされる顕著な差異を示している。
• 測定されたスピンを持つ10個のWR+O連星系内のO星すべてが超同期的回転を示しており、質量移動がスピンアップに寄与していることを支持する。
• 観測された平均赤道速度（348 km/s）は理論的壊滅速度（530 km/s）の65%であり、WR段階中に効率的なスピンダウン機構が存在することを示唆している。
• ヘリウムI線とヘリウムII線から導かれる回転速度の100%の差異は、回転歪みではなく重力減光に起因するとされる。
• 最も長い周期の2つの連星系（29.7および78.5日）が超同期的回転を示しており、潮汐力がこのような系で回転を同期させるはずであるという予想に反する。
• 本結果は、WR前身星からの質量移動がO星およびブラックホール前身星のスピン進化を駆動する主要因である強力な観測的証拠を提供する。