[논문 리뷰] Evidence for a substellar secondary in the magnetic cataclysmic binary EF Eridani

K. Beuermann, P. J. Wheatley외 3명|arXiv (Cornell University)|2000. 01. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 EF Eri의 저조도 상태에서의 저해상도 광학 스펙트럼에서 눈에 띄는 스펙트럼 특징이 없음을 바탕으로, 이는 별보다 어두운 별 또는 수소 연소 한계 근처의 전이 물체일 가능성이 있음을 제시한다. 백색왜성의 비정상적으로 낮은 효율 온도 9500 ± 500 K는 10⁹년 이상의 냉각 연령을 암시하며, 따뜻한 백색왜성 후보를 배제하고, 이 시스템이 카타클리스믹 변수 진화 과정에서 주기 최소값을 이미 통과했을 가능성이 높다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Low-state spectrophotometry of the short-period polar EF Eridani (Porb=81 min) found the system at V=18.0 with no trace of the companion (Wheatley and Ramsay 1998). We show that the lack of such spectral features implies that the companion to the white dwarf in EF Eri has a spectral type later than M9 and is either a transition object at the brink of hydrogen burning or a brown dwarf. The optical low state spectrum indicates a temperature of the white dwarf of Teff=9500+-500K. This is one of the coldest white dwarfs in cataclysmic variables, implying a cooling age t_cool>=10e9 yrs or accretional heating at a rate as given by gravitational radiation. The large age of the system excludes a warm brown dwarf as companion. EF Eri has either just passed through the period minimum of cataclysmic variable stars or has started mass transfer from an old brown dwarf secondary.

연구 동기 및 목표

• 저조도 상태에서 광학 스펙트럼으로 감지되지 않는 EF Eri의 자기장 카타클리스믹 변수에서의 제2성의 성질을 규명하는 것.
• 저조도 상태 스펙트럼에서의 복사 에너지 특징 부재를 바탕으로, 감추어진 별의 스펙트럼 유형과 질량을 제약하는 것.
• 실험적 궤도 주기(81분)를 이론적 주기 최소값 77분과 비교하여 EF Eri의 진화 상태를 평가하고, 주기 반동을 통과했는지 여부를 판단하는 것.
• 백색왜성의 낮은 온도(9500 K)가 냉각에 의한 것인지, 또는 물질 붕괴에 의한 가열에 의한 것인지 평가하고, 이로부터 별의 질량과 진화 역사에 대한 함의를 도출하는 것.

제안 방법

• 1997년 2월, 칠레 라 실리아에 위치한 ESO 3.6m 망원경을 사용하여 EF Eri의 저조도 상태에서의 스펙트로포토메트리 관측을 수행하였으며, 기상 조건과 지구 대기 흡수 영향을 보정하였다.
• 순환자기방출 성분을 제거하기 위해 순환자기 최대 및 최소 위상 간의 차이 스펙트럼을 활용하여 비자기 연속 스펙트럼을 분리하였다.
• 관측된 연속 스펙트럼(λ > 5300 Å)을 비자기 및 자기 모델 대기와의 적합을 통해 백색왜성의 효율 온도를 결정하였으며, T_eff = 9500 ± 500 K의 결과를 도출하였다.
• 저연도 M 또는 L형 항성의 최대 가능 복사 에너지 기여도를 표면 밝기의 경험적 보정식을 사용하여 추정하였고, 이러한 특징의 부재는 별의 스펙트럼 유형이 M9 이후로 더 늦은 유형임을 제약하였다.
• 백색왜성 냉각 및 카타클리스믹 변수 진화 이론 모델을 활용하여, 시스템의 연령과 궤도 주기를 고려해 별의 질량과 진화 상태를 추론하였다.
• 백색왜성의 온도와 냉각 연령을 바탕으로 물질 붕괴율을 추정하고, 중력 방사에 의해 유도되는 붕괴율과 비교하여 고백색왜성 질량이 높을 경우의 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저조도 상태에서 눈에 띄는 광학 복사 에너지 특징이 없는 것으로 볼 때, 자기장 카타클리스믹 변수 EF Eri의 감추어진 제2성의 스펙트럼 유형과 질량은 무엇인가요?
• RQ2 백색왜성의 효율 온도가 9500 K임을 고려할 때, 이 온도는 따뜻한 백색왜성 후보를 배제할 수 있을 정도로 충분히 오래된 나이를 암시하는가요?
• RQ3 EF Eri는 카타클리스믹 변수 진화 과정에서 주기 최소값을 통과했는가? 현재 궤도 주기 81분은 제2성의 질량과 성격에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 백색왜성의 관측된 온도는 냉각만으로 설명될 수 있는가, 아니면 물질 붕괴에 의한 가열에 의해 유지되는가? 이는 붕괴율과 제2성 질량에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 궤도 주기(81분)와 이론적 최소 주기(77분) 사이의 격차는 CV 시스템에서 추가적인 각운동량 손실 메커니즘 또는 숨겨진 진화 경로를 시사하는가?

주요 결과

• EF Eri의 저조도 상태 스펙트럼에서 눈에 띄는 스펙트럼 특징이 없음을 고려할 때, 제2성의 스펙트럼 유형은 M9 이후로, 주계열 M형 항성은 배제된다.
• EF Eri의 백색왜성은 효율 온도 9500 ± 500 K를 가지며, 신뢰성 있게 온도가 결정된 카타클리스믹 변수 중에서 가장 낮은 온도를 가진 백색왜성으로 기록된다.
• 낮은 온도는 최소 10⁹년의 냉각 연령을 암시하며, 이는 따뜻한 백색왜성 후보가 이 기간 동안 더 낮은 온도로 냉각되었을 것임을 배제한다.
• 시스템의 궤도 주기가 81분으로, 관측된 주기 최소값 77분보다 4분 더 길다는 점은 EF Eri가 주기 최소값을 이미 통과했고, 더 긴 주기로 진화하고 있음을 시사한다.
• 진화 모델과 연령 제약 조건을 바탕으로 별의 질량은 0.06 M☉ 이하의 백색왜성 또는 수소 연소 한계 근처의 전이 물체(M₂ ≈ 0.075 M☉)일 가능성이 가장 높다.
• 백색왜성의 온도를 유지하기 위해 필요한 붕괴율은 중력 방사에 의해 유도되는 붕괴율과 일치하며, 이는 고백색왜성 질량(M₁ ≥ 0.6 M☉)과 별보다 어두운 별 동반성을 지지한다.