[논문 리뷰] Binaries discovered by the MUCHFUSS project: SDSS J162256.66$+$473051.1 - An eclipsing subdwarf B binary with a brown dwarf companion

V. Schaffenroth, S. Geier외 6명|Data Archiving and Networked Services (DANS)|2014. 02. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 48인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 MUCHFUSS 조사에서 발견된, 백색왜성 동반성과 함께 일식하는 열린 하위거성 B 이중성인 SDSS J162256.66+473051.1을 보고한다. 분광 및 광도 측정 분석을 통해 질량 비율 q = 0.1325, 궤도 주기 0.0697일, 동반성 질량 0.064 M☉를 확인하였으며, 이는 백색왜성으로 간주됨을 확인하여 복합-envelope 탈출 과정에서 복합행성 물체가 sdB 별을 형성할 수 있음을 강력히 뒷받침한다.

ABSTRACT

Hot subdwarf B stars (sdBs) are core helium-burning stars located on the extreme horizontal branch. About half of the known sdB stars are found in close binaries. Their short orbital periods of 1.2 h to a few days suggest that they are post common-envelope systems. Eclipsing hot subdwarf binaries are rare, but important to determine the fundamental stellar parameters. Low-mass companions are identified by the reflection effect. In most cases the companion is a main sequence star near the stellar mass limit. Here we report the discovery of an eclipsing hot subdwarf binary SDSS J162256.66+473051.1 (J1622) of very short orbital period (0.0697 d), found in the course of the MUCHFUSS project. The lightcurve shows grazing eclipses and a prominent reflection effect. An analysis of the light- and radial velocity (RV) curves indicated a mass ratio of $q=$ 0.1325, an RV semiamplitude $K=47.2 m\,km\,s^{-1}$, and an inclination of $i=72.33^\circ$. We show that a companion mass of 0.064 $M_{ m \odot}$, well below the hydrogen-burning limit, is the most plausible solution, which implies a mass close to the canonical mass (0.47 $M_{ m \odot}$) of the sdB star. Therefore, the companion is a brown dwarf, which not only survived the engulfment by the red-giant envelope, but also triggered its ejection, and enabled the sdB star to form. The rotation of J1622 is expected to be tidally locked to the orbit. However, J1622 rotates too slowly ($v_{ m rot}=74.5\pm 7 m\,km\,s^{-1}$) to be synchronized, challenging tidal interaction models.

연구 동기 및 목표

• SDSS의 라디얼 속도 변화를 통해 뜨거운 하위거성 B 별에 대한 밀도 높은 동반성을 식별하기 위해.
• 일식 이중성 SDSS J162256.66+473051.1의 보이지 않는 동반성의 성질과 질량을 규명하기 위해.
• 복합행성 동반성이 공통-envelope 탈출을 유도하여 sdB 별을 형성할 수 있는지 검증하여, 전통적인 이중성 진화 모델에 도전하기 위해.
• 초단기 주기 이중성에서 tidal 동기화를 조사하며, 특히 sdB 주성의 비동기 회전 현상을 다루기 위해.
• 광도 및 분광 데이터를 사용하여 양성분의 질량-반경 관계와 기본 매개변수를 제약하기 위해.

제안 방법

• MUCHFUSS 프로젝트의 광도 빛의 변화 곡선을 활용하여 SDSS J162256.66+473051.1에서 부분 일식과 반사 효과를 탐지하였다.
• 고해상도 분광적 라디얼 속도 곡선을 분석하여 궤도 반장반경 K = 47.2 km s⁻¹ 및 질량 비율 q = 0.1325를 유도하였다.
• 저질량 항성 및 백색왜성에 대한 이론적 질량-반경 관계를 적용하여 동반성 질량를 0.055에서 0.075 M☉ 사이로 제약하였다.
• 주성의 강한 조사로 인한 동반성 반경의 팽창을 고려하여 조사 효과를 조정하였다.
• 빛의 변화 곡선 모델링으로 유도된 기울기 i = 72.33°를 사용하여 시스템 기하학 및 궤도 매개변수를 추정하였다.
• 관측된 자전 주기 (vsin i = 74.5 ± 7 km s⁻¹)를 궤도 주기와 비교하여 동기화 여부를 테스트하기 위해 tidal 상호작용 모델을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소 연소 한계 이하인 질량(0.08 M☉)을 가진 복합행성 동반성이 공통-envelope 탈출을 유도하여 뜨거운 하위거성 B 별을 형성할 수 있는가?
• RQ2 일식 이중성 SDSS J162256.66+473051.1의 보이지 않는 동반성의 질량은 얼마이며, 이는 백색왜성의 존재를 확인하는가?
• RQ3 0.0697일의 궤도를 가진 시스템에서 기대되는 타이드 고정 상태보다 상당히 느리게 자전하는 sdB 주성은 왜 그런가?
• RQ4 관측된 자전 주기 대 궤도 주기 비율 0.607 ± 0.065는 안정적인 2:3 공명과 일치하는가? 그리고 이러한 구성은 공통-envelope 단계를 살아남을 수 있는가?
• RQ5 향후 고해상도 분광 측정을 통해 동반성의 조사된 대기에서의 방출선을 탐지할 수 있는가? 이를 통해 동반성의 성질을 확인하고 이중선 분광 이중성 분석을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• SDSS J162256.66+473051.1의 동반성 질량은 0.064 M☉로, 수소 연소 한계 이하여 백색왜성으로 확인되었다.
• 주성 sdB 별의 질량은 0.47 M☉에 가까워, 공통-envelope 진화 이후 이론 모델과 일치한다.
• 이 시스템은 부분 일식과 강한 반사 효과를 보이며, 궤도 주기가 0.0697일(1.67시간)로 알려진 가장 짧은 일식 sdB 이중성 중 하나이다.
• sdB 별은 74.5 ± 7 km s⁻¹로 자전하며, 타이드 고정 상태에서 예상되는 것보다 상당히 느리게 자전하고 있어, 표준 타이드 상호작용 모델에 도전한다.
• 자전 주기 대 궤도 주기 비율은 0.607 ± 0.065로 2:3 공명에 가깝게 나타나, 공통-envelope 단계를 살아남은 가능성이 있는 공명 구조일 수 있음을 시사한다.
• 이 시스템은 젊지 않다고 예상되므로, 동기화가 이루어지지 않은 것은 타이드 진화 모델을 재평가하거나, 다른 각운동량 전달 메커니즘을 고려해야 한다는 것을 시사한다.