[논문 리뷰] Binaries discovered by the SPY survey VI. Discovery of a low mass companion to the hot subluminous planetary nebula central star EGB\,5 - A recently ejected common envelope?

S. Geier, R. Napiwotzki외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 23.

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한 줄 요약

이 논문은 핫 서브지수 B 별 EGB 5를 도는 저질량 연성성성(M₂ > 0.14 M☉)을 16.5일 궤도에서 발견하였으며, 이는 희박한 행 星간성운의 중심 별이다. 이 시스템은 공통 외피 분리 과정을 통해 형성되었을 가능성이 있으며, 성운은 그 외피가 분리된 잔여물일 수 있어, 이 잘 알려지지 않은 이중성진화 단계를 직접적으로 조사할 수 있는 흔한 사례이다.

ABSTRACT

Hot subdwarf B stars (sdBs) in close binary systems are assumed to be formed via common envelope ejection. According to theoretical models, the amount of energy and angular momentum deposited in the common envelope scales with the mass of the companion. That low mass companions near or below the core hydrogen-burning limit are able to trigger the ejection of this envelope is well known. The currently known systems have very short periods $\simeq0.1-0.3\,{ m d}$. Here we report the discovery of a low mass companion ($M_{ m 2}>0.14\,M_{ m \odot}$) orbiting the sdB star and central star of a planetary nebula EGB\,5 with an orbital period of $16.5\,{ m d}$ at a minimum separation of $23\,R_{ m \odot}$. Its long period is only just consistent with the energy balance prescription of the common envelope. The marked difference between the short and long period systems will provide strong constraints on the common envelope phase, in particular if the masses of the sdB stars can be measured accurately. Due to selection effects, the fraction of sdBs with low mass companions and similar or longer periods may be quite high. Low mass stellar and substellar companions may therefore play a significant role for the still unclear formation of hot subdwarf stars. Furthermore, the nebula around EGB\,5 may be the remnant of the ejected common envelope making this binary a unique system to study this short und poorly understood phase of binary evolution.

연구 동기 및 목표

• 핫 서브지수 B 별의 형성 메커니즘을 조사하며, 특히 이중성계에서 공통 외피 분리가 수행하는 역할을 규명한다.
• 저질량 연성성이 공통 외피 분리를 유도할 수 있는지, 특히 일반적인 경우보다 더 긴 궤도 주기의 시스템에서 가능한지 확인한다.
• EGB 5 주위의 희박한 성운이 분리된 공통 외피의 잔여물인지 평가하여, 이 단계에 대한 직접적인 관측 증거를 제공하는지 확인한다.
• 이론적 모델과 궤도 파라미터 및 연성성성 질량을 비교하여 공통 외피 분리의 효율성을 제약한다.
• 장주기 sdB 이중성계 탐지의 선택 효과를 평가하고, 이러한 시스템의 실제 빈도에 대한 영향을 분석한다.

제안 방법

• VLT의 UVES 및 기타 기기(ISIS, TWIN)를 사용한 고해상도 스펙트로스코피를 통해 sdB 주성의 라디얼 속도 변화를 측정한다.
• 여러 시점에서의 라디얼 속도 곡선을 분석하여 궤도 해석을 도출하였으며, 주기는 16.537일, 최소 연성성성 질량은 0.14 M☉로 산정되었다.
• 고해상도 스펙트럼을 사용하여 EGB 5의 대기 파라미터를 정밀하게 보정하였으며, 핵 헬륨 연소 중인 sdB 별로 확인되었다(T_eff = 34,000 ± 400 K, log g = 5.85 ± 0.05).
• 거대한 원형성의 결합 에너지와 궤도 에너지 변화를 비교하여 공통 외피 분리의 타당성을 평가한다.
• 에너지 균형 원칙을 적용한 이론적 모델링을 통해 공통 외피 분리 효율성(α)을 추정하였으며, 연성성이 빠져들어 나가면서 궤도를 형성했다는 가정을 하였다.
• 이전 연구(Frew et al. 2010)를 바탕으로 성운의 형태와 운동학을 분석하여, 이 성운이 행성간성운인지 스트로마이어그 영역인지 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 16.5일 궤도에서 M₂ > 0.14 M☉의 저질량 연성성이 공통 외피 분리를 유도할 수 있는가? 이는 이론적 에너지 균형 모델과 일치하는가?
• RQ2 EGB 5 주위의 희박한 성운이 분리된 공통 외피의 잔여물인가? 이는 이 형성 단계에 대한 직접적인 증거를 제공하는가?
• RQ3 EGB 5처럼 장주기인 시스템이 일반적인 짧은 주기(sdB+dM, 0.1–0.3 d)의 이중성계와 어떻게 다를 수 있으며, 이는 공통 외피 분리 효율성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 선택 효과가 sdB 이중성계의 관측 주기 분포에 미치는 영향은 무엇이며, 주기가 ≥10일인 시스템에서 저질량 연성성을 지닌 sdB의 비율은 어느 정도일 수 있는가?
• RQ5 이론적 모델에서 제안한 바와 같이, 더 긴 내림사다리 시간 스케일로 인해 저질량 연성성이 더 높은 공통 외피 분리 효율성(α)을 보일 수 있는가?

주요 결과

• EGB 5 주위에 M₂ > 0.14 M☉의 저질량 연성성이 16.537일 궤도에서 확인되었으며, 이는 확인된 저질량 연성성을 지닌 가장 장주기의 sdB 이중성계이다.
• 궤도 에너지 변화는 공통 외피 분리를 위한 정확한 에너지 기준에 도달하였으며, 이는 공통 외피 분리의 이론적 에너지 균형 기준의 한계에 해당하는 시스템이다.
• EGB 5 주위의 성운은 분리된 공통 외피의 잔여물일 가능성이 높아, 이 시스템은 공통 외피 단계를 직접적으로 관측할 수 있는 고유한 사례이다.
• 이 시스템의 장주기와 저질량 연성성은 일반적인 sdB+dM 이중성계(0.1–0.3 d)와 뚜렷한 대비를 이룬다. 이는 관측 편향으로 인해 이러한 시스템이 부족하게 탐지되고 있음을 시사한다.
• 연성성성 질량과 궤도 주기로부터 유도된 고효율 공통 외피 분리 효율성(α)은 더 질량이 큰 연성성성보다 높을 수 있으며, 이는 이론적 제안에 부합한다: 저질량 연성성이 더 높은 효율성을 보일 수 있다.
• 이 발견은 저질량 연성성이 sdB 형성에 중요한 역할을 할 수 있으며, 특히 장주기 시스템에서 이러한 연성성이 실제로 매우 높은 비율로 존재할 가능성이 있음을 시사한다.