[논문 리뷰] Hot subdwarf stars in close-up view I. Rotational properties of subdwarf B stars in close binary systems and nature of their unseen companions

S. Geier, U. Heber외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 88인용 수 51

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 51개의 근접 이중성에서의 뜨거운 하위주류 B(초기형B) 별의 회전 성질을 분석하여 보이지 않는 연성의 질량과 성격을 추론한다. 궤도 동기화는 1.2일 이하의 궤도 주기에서 발생하는 것으로 밝혀졌으며, 9개의 백색왜성, 7개의 M형왜성, 1개의 백색왜성 후보, 여러 개의 칸드라스카르 한계에 가까운 또는 이를 초월하는 연성들을 확인하였다—이것은 중성자별 또는 블랙홀일 가능성이 있다.

ABSTRACT

The origin of hot subdwarf B stars (sdBs) is still unclear. About half of the known sdBs are in close binary systems for which common envelope ejection is the most likely formation channel. Little is known about this dynamic phase of binary evolution. Due to the tidal influence of the companion in close binary systems, the rotation of the primary becomes synchronised to its orbital motion. In this case it is possible to constrain the mass of the companion, if the primary mass, its projected rotational velocity as well as its surface gravity are known. For the first time we measured the projected rotational velocities of a large sdB binary sample from high resolution spectra. We analysed a sample of 51 sdB stars in close binaries, 40 of which have known orbital parameters comprising half of all such systems known today. Synchronisation in sdB binaries is discussed both from the theoretical and the observational point of view. The masses and the nature of the unseen companions could be constrained in 31 cases. The companions to seven sdBs could be clearly identified as late M stars. One binary may have a brown dwarf companion. The unseen companions of nine sdBs are white dwarfs with typical masses. The mass of one white dwarf companion is very low. In eight cases the companion mass exceeds 0.9 solar masses, four of which even exceed the Chandrasekhar limit indicating that they may be neutron stars. Even stellar mass black holes are possible for the most massive companions. The distribution of the inclinations of the systems with low mass companions appears to be consistent with expectations, whereas a lack of high inclinations becomes obvious for the massive systems. We show that the formation of such systems can be explained with common envelope evolution and present an appropriate formation channel including two phases of unstable mass transfer and one supernova explosion.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 근접 이중성에서의 sdB 별의 회전 성질을 규명한다.
• 일반적으로 특성 분석이 어려운 단일선 스펙트로스코픽 이중성에서 보이지 않는 연성의 질량과 성격을 추론한다.
• 조수 동기화가 단기 주기 sdB 이중성에서 발생하는지 검증하고, 이의 연성 질량 추정에 미치는 영향을 평가한다.
• 특히 공통 대류층 진화와 불안정한 질량 이행을 통해 형성된 질량이 큰 sdB 이중성의 형성 메커니즘을 조사한다.
• 회전 및 궤도 제약 조건을 사용하여 압축되고 질량이 큰 연성—특히 중성자별 또는 블랙홀일 가능성이 있는 후보 시스템—을 식별한다.

제안 방법

• 51개의 근접 이중성 sdB 별의 고해상도 광학 스펙트럼에서의 투사된 회전 속도(v sin i)를 측정하였다.
• 기타 표면 중력도(log g) 및 주성 질량과 함께 v sin i를 조합하여 이중질량 함수를 통해 궤도 기울기와 연성 질량을 추정하였다.
• 궤도 파am(주기, 이심률)을 사용하여 조수 동기화를 평가하였으며, P < 1.2일인 시스템에서는 자전-궤도 결합을 가정하였다.
• 공통 대류층 진화 및 불안정한 질량 이행의 이론적 모델을 적용하여 질량이 큰 연성의 형성 메커니즘을 설명하였다.
• 우주 망원경(예: MOST, Kepler)의 광도 변화 데이터를 평가하여 질량이 크고 압축된 연성이 있을 경우를 나타내는 타원형 변화를 탐지하였다.
• 보기 어두운 질량이 큰 연성과 함께 있는 후보 시스템에서 풍속 수축 또는 펄서 신호를 탐지하기 위해 후속 X선 및 전파 관측을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 정도의 회전 동기화가 근접 이중성의 sdB 별에서 관측되며, 어느 궤도 주기에서 이것이 지배적이게 되는가?
• RQ2 특히 높은 추정 연성 질량을 가진 경우, sdB 이중성 시스템의 보이지 않는 연성의 질량과 성격은 무엇인가?
• RQ3 회전 및 궤도 제약 조건을 통해 sdB 시스템 내 중성자별 또는 블랙홀의 존재를 확인할 수 있는가?
• RQ4 관측된 sdB 이중성의 기울기 분포는 이론적 예측과 어떻게 비교되며, 이는 연성 질량 추정에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 후기 적색거대 브랜치 별의 스피드업 과정이 계속되고 있는지의 징후는 없으며, 이는 회전 동기화 해석에 영향을 줄 수 있는가?

주요 결과

• 1.2일 이하의 궤도 주기를 가진 sdB 이중성에서는 조수 결합이 강하게 지배하며, 이는 조수 동기화를 뒷받침한다.
• 31개 시스템에서 보이지 않는 연성의 질량과 성격이 제약 조건으로 설정되었으며, 이 중 7개는 늦은 M형왜성으로 확인되었고, 1개는 백색왜성 후보였으며, 9개는 일반적인 질량을 가진 백색왜성으로 확인되었다.
• 하나의 백색왜성 연성은 매우 낮은 질량을 가지며, 나머지 9개는 0.9 M☉를 초월하는 질량을 가지며, PG 1743+477 및 HE 0532-4503 시스템은 칸드라스카르 한계에 가까운 또는 이를 초월하는 연성을 보였다.
• 질량이 큰 연성을 가진 낮은 기울기 시스템의 높은 비율은 이론적 예측와 부합하지 않으며, 이는 질량이 크고 압축된 연성을 가진 높은 기울기 시스템도 존재해야 한다는 것을 시사한다.
• 질량이 큰 연성을 가진 후보 시스템에서는 ROSAT 조사에서 로체 루프 오버 또는 X선 방출의 증거가 없었지만, 풍속 수축에 의한 약한 X선 방출은 가능하며, Chandra 또는 XMM-Newton로 감지 가능하다.
• HST 또는 Kepler에서의 고정밀 광도 측정이 가장 좋은 후보에서 타원형 변화를 탐지하기 위해 권장되며, Hyper-MUCHFUSS 프로젝트는 질량이 크고 보이지 않는 연성을 가진 고기울기 시스템을 적극적으로 탐색 중이다.