[논문 리뷰] Hot subdwarf binaries from the MUCHFUSS project - Analysis of 12 new systems and a study of the short-period binary population

Thomas Kupfer, S. Geier외 7명|Keele Research Repository (Keele University)|2015. 01. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 120인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 MUCHFUSS 설문 조사에서 발견된 12개의 새로운 핫 서브드워프 B 별 이중성에 대해 궤도적 및 대기적 파라미터를 제시하며, 희귀한 저질량 헬륨핵 화이트 와이프를 포함한 3개의 가능성이 있는 화이트 와이프 연성체를 규명한다. 이는 최소 연성체 질량 분포가 0.1 M⊙ (dM/서브스타르랄)과 0.4 M⊙ (화이트 와이프)에서 피크를 이룬다는 이중성 분포를 드러내며, 16개 시스템이 카타클리즘식 변수로 진화하고, 12개의 화이트 와이프 이중성은 허블 시간 내에 융합될 것으로 예측되며, 이는 타입 Ia 초신성의 원천이 될 수 있는 시스템들과 AM CVn 시스템을 포함한다.

ABSTRACT

The project Massive Unseen Companions to Hot Faint Underluminous Stars from SDSS (MUCHFUSS) aims at finding hot subdwarf stars with massive compact companions like massive white dwarfs (M>1.0 M$_\odot$), neutron stars, or stellar-mass black holes. We present orbital and atmospheric parameters and put constraints on the nature of the companions of 12 close hot subdwarf B star (sdB) binaries found in the course of the MUCHFUSS project. The systems show periods between 0.14 and 7.4 days. Three systems most likely have white dwarf companions. SDSS J083006.17+475150.3 is likely to be a rare example of a low-mass helium-core white dwarf. SDSS J095101.28+034757.0 shows an excess in the infrared that probably originates from a third companion in a wide orbit. SDSS J113241.58-063652.8 is the first helium deficient sdO star with a confirmed close companion. This study brings to 142 the number of sdB binaries with orbital periods of less than 30 days and with measured mass functions. We present an analysis of the minimum companion mass distribution and show that it is bimodal. One peak around 0.1 M$_\odot$ corresponds to the low-mass main sequence and substellar companions. The other peak around 0.4 M$_\odot$ corresponds to the white dwarf companions. The derived masses for the white dwarf companions are significantly lower than the average mass for single carbon-oxygen white dwarfs. In a T$_{ m eff}$-log(g) diagram of sdB+dM companions, we find signs that the sdB components are more massive than the rest of the sample. The full sample was compared to the known population of extremely low-mass white dwarf binaries as well as short-period white dwarfs with main sequence companions. Both samples show a significantly different companion mass distribution. We calculate merger timescales and timescales when the companion will fill its Roche Lobe and the system evolves into a cataclysmic variable.

연구 동기 및 목표

• 스펙트로스코픽 분석을 통해 질량이 큰 밀도 있는 연성체, 즉 화이트 와이프, 중성자별 또는 블랙홀을 포함한 핫 서브드워프 B 별을 식별하고 특성화하기 위해.
• 0.14에서 7.4일 사이의 궤도 기간을 가진 12개의 신규로 발견된 sdB 이중성의 궤도적 및 대기적 파라미터를 결정하기 위해.
• 특히 화이트 와이프 및 저질량 항성 연성체에 초점을 맞춰, 이 시스템들에서 보이지 않는 연성체의 성격을 조사하기 위해.
• 단기 주기의 sdB 이중성에서 최소 연성체 질량 분포를 분석하고, 이중성 진화 및 융합 경로에 대한 함의를 평가하기 위해.
• 카타클리즘식 변수, AM CVn 항성 또는 RCrB 항성으로 진화할 가능성이 있는 시스템을 식별하고, 이들이 타입 Ia 초신성 원천으로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• SDSS 설문 조사에서 유래한 12개의 핫 서브드워프 B 별을 대상으로 스펙트로스코픽 모니터링을 수행하여, 적색 이동 변화를 측정하고 궤도 요소를 유도하기 위해.
• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 표면 온도(Teff), 표면 중력(log g), 금속성 등의 대기적 파라미터를 결정하기 위해.
• 적색 이동 진폭에서 유도된 질량 함수를 계산하여, 보이지 않는 연성체의 최소 질량을 제약하기 위해.
• 관측된 연성체 질량 분포를 이중성 진화 이론 모델과 비교하고, 알려진 화이트 와이프 및 카타클리즘식 변수 집단과의 유사성을 평가하기 위해.
• 적외선 광도 측정 및 과잉 방출 분석을 통해 넓은 궤도에서의 제3체 연성체를 탐색하기 위해.
• 진화 스케일 타임 모델링을 통해 향후 진화 경로, 특히 로흐 로브 오버플로우 및 이중성 융합을 예측하기 위해.

Figure 1: Radial velocity plotted against orbital phase. The RV data were phase folded with the most likely orbital periods and are plotted twice for better visualisation. The residuals are plotted below. The RVs were measured from spectra obtained with SDSS (squares), CAHA3.5m/TWIN (upward triangle

실험 결과

연구 질문

• RQ1 12개의 새로운 단기 주기 핫 서브드워프 B 별 이중성에서 보이지 않는 연성체의 성격은 무엇인가요?
• RQ2 sdB 이중성에서 최소 연성체 질량 분포는 이중성 진화 모델에 어떤 함의를 갖는가 하며, 특히 화이트 와이프와 저질량 항성 연성체의 존재를 고려할 때 어떻게 설명되는가?
• RQ3 식별된 시스템들 중 어떤 것이 허블 시간 내에 카타클리즘식 변수, AM CVn 시스템 또는 RCrB 항성으로 진화할 가능성이 있는가?
• RQ4 어느 시스템이 타입 Ia 초신성의 원천이 될 수 있으며, 이는 단일-균형 채널에 대한 어떤 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 SDSS J095101.28+034757.0과 같은 계층적 삼중 시스템 존재에 대한 증거는 무엇이며, 이는 궤도적 및 진화 모델링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 12개 시스템 중 9개는 연성체를 명확히 분류할 수 없지만, 3개는 화이트 와이프 연성체를 가질 가능성이 높으며, 그 중 SDSS J083006.17+475150.3은 희귀한 저질량 헬륨핵 화이트 와이프를 포함한다.
• 최소 연성체 질량 분포는 이중성 분포를 보이며, 약 0.1 M⊙ (dM/서브스타르랄 연성체)과 약 0.4 M⊙ (화이트 와이프 연성체)에서 피크를 이룬다. 이는 별도의 진화 경로를 시사한다.
• 유도된 화이트 와이프 연성체 질량은 단일 탄소-산소 화이트 와이프 평균보다 현저히 낮으며, 이는 별도의 형성 채널을 시사한다.
• 16개 시스템이 허블 시간 내에 카타클리즘식 변수로 진화할 것으로 예측되며, 그 중 2개는 브라운 와이프 기여자와 함께 진화한다.
• 확인된 화이트 와이프 연성체를 가진 12개 시스템은 허블 시간 내에 융합될 것으로 예측되며, 이 중 2개는 안정적인 AM CVn 유형 이중성으로 진화할 수 있고, 2개는 잠재적인 타입 Ia 초신성 원천 시스템이다.
• 추가로 8개의 시스템은 융합되어 RCrB 항성 또는 질량이 큰 C/O 화이트 와이프를 형성할 것으로 예측되며, 이는 화이트 와이프 연성체의 내부 구조에 따라 달라진다.

Figure 2: Radial velocity plotted against orbital phase (see Fig 1 ).