[논문 리뷰] Observations of the binary pulsar system PSR B1718-19 -- The Role of Tidal Circularisation

Tanja Janssen, M. H. van Kerkwijk|ArXiv.org|2005. 04. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 이중 펄서 PSR B1718-19의 위성에 대한 다중 대역 광학 및 적외선 관측을 제시하며, 그 온도, 반지름, 질량을 측정하여 진화 상태를 제약한다. 결과는 Roche 근원을 채우지 않는 팽창된 위성과 일관되며, 초기에 타원도가 있었던 궤도에서 tidal circularisation이 발생했음을 시사하지만, 현재의 tidal 소산 모델은 빠른 circularisation timescale을 설명하기 어려운 상황이다.

ABSTRACT

We present optical and infrared observations taken with the Very Large Telescope of the eclipsing binary pulsar system PSR B1718-19. The candidate companion of the pulsar, identified earlier in Hubble Space Telescope observations, has been detected in all three bands, R, I, and J. These detections allowed us to derive constraints on temperature, radius, and mass, pointing to a companion that has expanded to a radius between one of a main sequence star and one at the Roche-limit. We focus on the role of tidal circularisation in the system, which will have transformed the initially eccentric orbit expected from formation scenarios into the nearly circular orbit presently observed. Based on simple energy balance arguments, we are able to draw a picture of the companion's evolution resulting from the energy deposition in the star due to circularisation. In this picture, our measurement of the companion's parameters is consistent with the expected initial eccentricity. However, with the present understanding of tidal dissipation it remains difficult to account for the short time in which the system was circularised.

연구 동기 및 목표

• 다중 대역 광도 측정을 통해 PSR B1718-19의 펄서 위성의 온도, 반지름, 질량을 측정한다.
• 이 시스템이 매우 젊은 연령(~10 Myr)임에도 불구하고 현재 원형 궤도(e ≲ 0.005)를 유지하고 있는 이유가 tidal circularisation으로 설명 가능한지 테스트한다.
• 세체 상호작용 또는 응축 유도 붕괴(AIC)를 포함한 형성 시나리오와 관측된 위성 매개변수의 일관성을 평가한다.
• 이론적 tidal circularisation timescale을 관측 제약, 특히 circularisation timescale의 상한선과 비교하여 평가한다.
• 완전히 대류 가능한 항성에서 주된 tidal 소산 메커니즘을 규명한다. 이는 이론과 관측 간의 괴리에서 기인한다.

제안 방법

• VLT/FORS2와 VLT/ISAAC를 사용하여 깊은 광학(R, I) 및 적외선(J) 광도 측정을 수행하였으며, 표준 항성 보정 및 공기질량 보정을 적용하였다.
• 위성 식별을 위한 천체측위 기준으로 HST/WFPC2 F702W 데이터를 통합하였지만, HST 데이터의 광도 측정은 신뢰할 수 없었다.
• 색깔-색깔도 및 색깔-등급도를 사용하여 거리 10.5 kpc 및 E(B-V) = 0.25를 가정한 상태에서 위성의 유효 온도와 반지름을 유도하였다.
• 유도된 T_eff와 R로부터 전주계열 주저항 궤적을 적용하여 위성의 질량을 추정하였다.
• Zahn(1989)과 Goodman & Oh(1997)의 두 가지 이론적 절차를 사용하여 tidal circularisation timescale을 평가하였으며, 관측된 상한선(~2.5 Myr)과 비교하였다.
• 에너지 균형 고려를 통해 circularisation 효율과 관측된 반지름 간의 연관성을 분석하여, tidal 에너지 침착이 위성 팽창에 기여하는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 대역 광도 측정을 통해 PSR B1718-19의 위성의 온도, 반지름, 질량는 각각 얼마인가요?
• RQ2 관측된 위성의 팽창은 세체 상호작용 시나리오에서 예상되는 초기 타원도 약 0.2에서 기인한 tidal circularisation과 일관합니까?
• RQ3 현재의 이론적 tidal 소산 모델(Zahn 1989 대비 Goodman & Oh 1997)은 약 ~2.5 Myr 이내에 시스템이 빠르게 원형 궤도로 수렴하는 것을 설명할 수 있나요?
• RQ4 위성의 현재 반지름이 Roche 근원과 비교하여 어떻게 되어 있으며, 이는 AIC나 세체 상호작용 시나리오에 어떤 함의를 갖나요?
• RQ5 관측된 팽창을 설명하기 위해 완전히 대류 가능한 항성에서 tidal 에너지 소산의 효율성이 얼마여야 하는지, 그리고 이는 기존 이론에 도전하는가요?

주요 결과

• 위성의 반지름은 주계열 항성과 Roche 근원 사이에 위치하여 심한 팽창이 있음을 시사한다.
• 유도된 유효 온도와 반지름에 더하여 전주계열 주저항 궤적을 적용한 결과, 질량는 약 0.2 M☉로 추정된다.
• 관측된 매개변수들은 초기 타원도 약 0.2에서 기인한 tidal circularisation과 일관되며, 이는 세체 상호작용 시나리오에서 예상되는 바이다.
• circularisation timescale은 ≤2.5 Myr로 제약되며, 이는 Zahn(1989)의 tidal 소산 절차가 필요로 하지만, Goodman & Oh(1997)는 최소한 한 계급 이상 과도하게 timescale을 예측한다.
• 현재의 tidal 소산 모델은 여전히 이 시스템과 일치하지 않으며, 완전히 대류 가능한 항성에서 에너지 소산 효율이 과소평가되어 있음을 시사한다.
• AIC 시나리오는 덜 가능성 있으며, 이는 사전에 조명에 의한 팽창이 필요하기 때문이며, 이는 불확실하고, 여전히 효율이 떨어지는 tidal 메커니즘을 통한 빠른 circularisation이 요구된다.