[논문 리뷰] Binaries discovered by the SPY project V. GD 687 - a massive double degenerate binary progenitor that will merge within a Hubble time

S. Geier, U. Heber외 2명|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|2010. 03. 22.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 37인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 중력파 복사에 의한 궤도 감쇠로 약 111억 년 이내에 융합될 것인, 뜨거운 하위거성 B 별과 보이지 않는 백색왜성 연성체를 지닌 거대한 双백색왜성 이중성계인 GD 687을 규명한다. 시스템의 총 질량은 1.18 M☉에 가까워 체인드라세카르 한계에 가까운데, 이는 초체인드라세카르 백색왜성 또는 저체인드라세카르 초신성 Ia의 희귀한 원천 후보이며, 명백한 백색왜성 연성체를 지닌 4개의 확정된 sdB+WD 이중성계 중 하나이다.

ABSTRACT

Aims. The ESO SN Ia Progenitor Survey (SPY) aims at finding merging double degenerate binaries as candidates for supernova type Ia (SN Ia) explosions. A white dwarf merger has also been suggested to explain the formation of rare types of stars like R CrB, extreme helium or He sdO stars. Here we present the hot subdwarf B binary GD 687, which will merge in less than a Hubble time. Methods. The orbital parameters of the close binary have been determined from time resolved spectroscopy. Since GD 687 is a single-lined binary, the spectra contain only information about the subdwarf primary and its orbit. From high resolution spectra the projected rotational velocity was derived. Assuming orbital synchronisation, the inclination of the system and the mass of the unseen companion were constrained. Results. The derived inclination is $i=39.3^{+6.2}_{-5.6}\,^{\circ}$. The mass $M_{ m 2}=0.71_{-0.21}^{+0.22}\,M_{ m \odot}$ indicates that the companion must be a white dwarf, most likely of C/O composition. This is only the fourth case that an sdB companion has been proven to be a white dwarf unambiguously. Its mass is somewhat larger than the average white dwarf mass, but may be as high as $0.93\,M_{ m \odot}$ in which case the total mass of the system comes close to the Chandrasekhar limit. Conclusions. GD 687 will evolve into a double degenerate system and merge to form a rare supermassive white dwarf with a mass in excess of solar. A death in a sub-Chandrasekhar supernova is also conceivable.

연구 동기 및 목표

• 초신성 Ia(SN Ia)의 원천 후보로 여겨지는 거대한 이중백색왜성 이중성계를 규명하고 특성화하는 것.
• 뜨거운 하위거성 B 이중성계 GD 687의 궤도적 및 물리적 매개변수, 특히 보이지 않는 연성체의 질량과 성격을 규명하는 것.
• GD 687이 허블 시대 이내에 융합될지, 총 질량이 체인드라세카르 한계를 초과하는지 평가하는 것. 이는 초체인드라세카르 백색왜성 또는 저체인드라세카르 초신성 Ia의 후보가 될 수 있음을 의미한다.
• 뜨거운 하위거성 이중성계에서 궤도 동기화가 실제로 발생하는지를 실증적으로 제시하여, 연성체 질량을 추정하는 데 사용된 가정을 뒷받침하는 것.
• 체인드라세카르 한계 근처의 총 질량을 지닌 이중백색왜성 시스템의 인벤토리 확대를 통해 초신성 Ia 원천 모델에 기여하는 것.

제안 방법

• GD 687의 단선형 sdB 별의 균일한 속도 변화를 측정하기 위해 시간 해상도가 높은 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 궤도 매개변수를 도출하였다.
• 스펙트럼 선의 넓어짐을 통해 sdB 별의 투영 회전 속도를 유도하였으며, 이는 궤도 동기화를 가정할 경우 시스템의 기울기를 제약한다.
• 유도된 기울기와 빛의 이동 폭을 사용하여 질량 함수를 계산하였으며, 이는 보이지 않는 연성체의 질량과 궤도 기울기를 추정하는 데 기여하였다.
• 궤도 동기화를 가정한 것은 GD 687의 궤도 주기(0.36일)를 PG 0101+039와 Feige 48 등의 동기화 시스템과 비교하고, ZAEHB 상에 위치하는 진화 모델을 고려하여 정당화되었다.
• 연성체 질량은 $ M_2 = 0.71_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $로 제약되었으며, 이는 백색왜성임을 확인하며 대부분 C/O 조성일 가능성이 높다.
• 주성분 질량(0.50 M☉)과 연성체 질량을 사용하여 총 시스템 질량을 추정하였으며, $ 1.18_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $로 도출되었으며, 연성체의 질량 상한선은 0.93 M☉로 제약되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GD 687은 백색왜성 연성체를 지니는가? 그 질량과 조성은 무엇인가?
• RQ2 GD 687의 궤도 감쇠는 허블 시대 이내에 융합을 유도하는가?
• RQ3 이 시스템의 총 질량이 체인드라세카르 한계를 초과하는가? 이는 초체인드라세카르 백색왜성 또는 저체인드라세카르 초신성 Ia 후보가 될 수 있는가?
• RQ4 GD 687의 궤도 주기와 진화 상태를 바탕으로 궤도 동기화가 물리적으로 타당한가?
• RQ5 질량과 융합 시간 상수 측면에서 GD 687은 다른 알려진 이중백색왜성 시스템과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• GD 687의 궤도 기울기는 $ i = 39.3^{+6.2}_{-5.6}^\textcircled{0} $로 제약되었으며, 이는 궤도 동기화를 가정하는 데에 뒷받침된다.
• 보이지 않는 연성체의 질량은 $ M_2 = 0.71_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $로 확인되었으며, 이는 백색왜성임을 확인하고 대부분 C/O 조성일 가능성이 높다.
• 총 시스템 질량은 $ 1.18_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $로 추정되었으며, 연성체의 질량 상한선이 0.93 M☉일 경우 총 질량는 체인드라세카르 한계에 매우 가까워진다.
• 융합 시간 상수는 $ 11.1 \text{ Gyr} $이며, 이는 허블 시대 이하이므로, GD 687이 우주의 나이 동안 융합될 것임을 확인한다.
• 이것은 sdB 별이 백색왜성 연성체를 지닌 이중성계로 확정된 사례 중 네 번째이며, 가장 질량이 큰 연성체를 지닌 첫 사례이다.
• 이 시스템은 초체인드라세카르 백색왜성 또는 저체인드라세카르 초신성 Ia의 희귀한 원천 후보로서, 체인드라세카르 한계 근처의 거대한 이중백색왜성 시스템의 인구에 기여한다.