[논문 리뷰] Luminosity function suggests up to 100 white dwarfs within 20 pc may be hiding in multiple systems

Boaz Katz, Subo Dong외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 27.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 주계열 항성과의 고대비로 인한 관측 편향으로 인해 20 pc 이내의 다중 시스템에서 최대 100개의 백색왜성이 탐지되지 않을 수 있다고 주장한다. 근처 백색왜성의 광도 함수를 사용하여, 이론적 기대와 비교해 이중 시스템에서 어두운 백색왜성이 현저히 부족함을 보이며, 태양계 근방의 실제 백색왜성 밀도가 현재 관측된 값의 두 배일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We examine the luminosity function of white dwarfs (WDs) in the local ``complete'' WD sample ($d<20$ pc) of Holberg et. al. 2008. We find that the fraction of bright and young WDs is anomalously high among the WDs detected in multiple systems with main sequence (MS) companions compared to that of the single WDs and theoretical expectations. This indicates a significant observation bias against finding relatively faint WDs in multiple systems. At the bright end ($M_V<11.5$), the amount of WDs with MS companions is approximately equal to that of single white dwarfs, indicating that $\gtrsim 50\%$ of WDs have MS companions, consistent with the high multiplicity fraction of early-type MS stars. If true, a significant fraction of WDs in multiple systems within 20 pc may have not been detected yet, and the number density of WDs in the solar neighborhood and elsewhere may be up to twice as much as presently believed.

연구 동기 및 목표

• 주계열 항성의 높은 다중성 비율과 백색왜지의 낮은 관측 다중성 비율 사이의 괴리 원인을 조사하기 위해.
• 백색왜지의 낮은 다중성 비율이 밝은 주계열 동반성과의 고대비로 인해 어두운 백색왜지가 간과되는 관측 편향 때문인지 테스트하기 위해.
• 20 pc 이내의 지역 백색왜성 샘플의 완전성 평가 및 광도 함수 이상 현상이 인구 추정에 미치는 영향 평가를 위해.
• 다중 시스템 내에서 누락된 백색왜성의 수를 추정하고, 이를 바탕으로 지역 백색왜성 밀도를 재조정하기 위해.

제안 방법

• 20 pc 이내의 Holberg 등 (2008) 샘플에서 백색왜성의 상대적 시각 등급 분포를 분석하여, 주계열 동반성이 있는 백색왜성과 단일 백색왜성 간을 비교하였다.
• Wood (1995)의 냉각 모델을 사용하여 표면 온도와 표면 중력에서 유도된 복사광도에서 냉각 연령을 추정하였다.
• 최근 3 Gyr 동안 일정한 백색왜성 형성률을 가정하고, 상대적 등급과 냉각 연령 간의 경험적 관계를 사용하여 이론적 광도 함수를 구축하였다.
• 광도 함수 모델을 적용하여 단일 및 이중 시스템에서 각 등급 구간에 대한 예상 백색왜성 수를 예측하였다.
• 이론적 모델 하에서 현재 관측된 밝은 백색왜성 수가 통계적으로 유의미한지 평가하기 위해, 이중 시스템 내 밝은 백색왜성 수의 관측 확률을 계산하였다.
• 이중 시스템에서 어두운 백색왜성이 관측되지 않는 부족함을 이용하여 샘플의 불완전성을 추론하고, 누락된 백색왜성 수를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사 질량의 주계열 항성과 비교해 백색왜지의 관측 다중성 비율이 현저히 낮은 이유는 무엇인가?
• RQ2 백색왜지의 낮은 다중성 비율이 주계열 동반성과의 고대비로 인한 관측 편향 때문인가?
• RQ3 다중 시스템의 백색왜지 광도 함수는 냉각 모델에 기반한 이론적 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 광도 함수 이상 현상에 기반해 20 pc 이내 다중 시스템 내에서 탐지되지 않은 백색왜성의 수는 얼마로 추정되는가?
• RQ5 백색왜성 샘플의 불완전성은 지역 백색왜성 밀도 추정치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 주계열 동반성이 있는 백색왜지의 광도 함수는 단일 백색왜지 및 이론적 기대와 비교해 매우 어두운 백색왜지(MV > 11.5)의 현저한 부족함을 보인다.
• 이중 시스템 내 밝은 백색왜지(MV < 11.5)의 관측 수(5개)는 일정한 형성률과 냉각 모델 하에서 예상되는 수(1.0개)보다 5배 많으며, 이는 파oisson 분포의 변동 때문일 가능성은 0.4% 뿐이다.
• 관측된 다중 시스템 백색왜지 광도 함수는 근사적으로 균일한 반면, 냉각 모델에 기반한 예상 함수는 어두운 등급에서 피크를 이룬다. 이는 강력한 관측 편향을 시사한다.
• 분석 결과, 고대비 이중 시스템에서 탐지가 어려워 20 pc 이내에서 최대 100개의 백색왜지가 현재의 조사에서 누락되어 있을 수 있음을 시사한다.
• 만약 실제 백색왜성 인구가 현재 관측된 수의 두 배라면, 지역 백색왜성 밀도는 현재 인정된 값의 두 배까지 올라갈 수 있다.
• 이 연구는 20 pc 이내 백색왜성 샘플의 80% 완전성 주장에 도전하며, 불완전성이 심각하며 주로 주계열 동반성이 있는 다중 시스템 내에서 탐지되지 않은 백색왜지 때문일 것이라 주장한다.