[논문 리뷰] On the Origin of Subdwarf B Stars and Related Metal-Rich Binaries

Elizabeth M. Green, James Liebert외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 12. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 금속 농도가 높고 넓은 이중성에서 안정적인 로흐 로브 오버플로우를 통해 초저밀도 B(star) (sdB) 항성들이 형성된다고 제안하며, 공통 외피 진화 없이 붉은 거성 끝자락 직전에 대기권 탈리가 발생한다. 또한 짧은 주기의 sdB 이중성은 불안정한 질량 전이 이후 공통 외피 탈출을 통해 발생하며, 이는 주로 공통 외피 단계에서 질량 손실과 융합으로 인해 주계열 별 동반자가 생존하지 못하기 때문에 관측된 바가 극히 적다는 것을 설명한다.

ABSTRACT

Mounting evidence from subdwarf B (sdB) stars in the galactic field and their recently discovered counterparts in old open clusters indicates that at least two thirds of local disk sdB stars are binaries. Our recent radial velocity survey showed that sdB binaries naturally divide into two groups with contrasting spectroscopic and kinematic properties. Those with detectable spectral lines from a cooler companion invariably have periods longer than a year, while very short period sdB's have essentially invisible companions. We derive typical orbital separations for the components of the composite spectrum sdB's from their velocities. The current systems must have been produced by Roche lobe overflow/mass transfer from low mass, metal-rich giants near the first red giant branch tip, without undergoing common envelope envolution. The same process should also occur at slightly lower red giant luminosities, producing a wide binary with a helium white dwarf instead of an sdB star. Most short period sdB's probably result from a common envelope following Roche lobe overflow of the initial secondary onto the white dwarf. Rare post-common envelope sdB + main sequence (MS) binaries also exist, but available data suggest that most such systems involving lower MS companions end up merging. The small and nearly identical masses of the two known MS survivors in short period sdB binaries imply that both components must have lost a large fraction of their initial mass in the common envelope process.

연구 동기 및 목표

• 현장 내 초저밀도 B(star) (sdB) 항성과 그 이중성 동반자의 기원을 설명하고, 특히 관측된 이중성 비율과 궤도적 성질을 규명한다.
• 기대되는 공통 외피 진화 이후의 sdB+주계열 이중성의 빈도와 실제 관측에서의 희귀성 간의 괴리를 해결한다.
• 복합 스펙트럼 sdB 이중성과 짧은 주기의 sdB+MS 시스템을 초래하는 진화 경로를 이해한다.
• 금속 농도와 初기 질량 비율이 안정적인 질량 전이 또는 공통 외피 진화가 발생할 지를 결정하는 데 어떤 역할을 하는지 조사한다.
• 저질량 동반자가 sdB 이중성 시스템에서 어떻게 진화하는지, 특히 광범위한 탐색에도 불구하고 단지 두 개의 짧은 주기 sdB+MS 이중성만 알려져 있는 이유를 명확히 한다.

제안 방법

• 두 해 동안 19개의 복합 스펙트럼 sdB 이중성의 도플러 속도 측정을 통해 궤도 속도 차이를 추정하고, 궤도 주기와 간격을 유추한다.
• 현재 시스템 파rameters를 바탕으로 초기 궤도 간격을 추정하기 위해 각운동량 보존 조건(a(M₁ + M₂) = constant)을 적용한다.
• Eggleton(1983)의 공식을 사용해 로흐 로브 반경을 계산하여, 첫 번째 붉은 거성 가지 끝에서의 거성 반경과 비교한다.
• 금속 농도가 높고 저질량 거성의 질량 전이가 공통 외피 진화 없이 발생하는 주계열 이중성 체계의 진화 순서를 모델링한다.
• 특히 깊은 대류 외피 형성 이후 질량 전이가 불안정해지면 공통 외피 탈출이 발생할 조건을 평가한다.
• sdB 항성의 관측 질량 추정치(~0.5 M☉)와 동반자 질량(1.0–1.3 M☉)을 사용해 初기 질량 비율과 진화 경로를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 디스크 sdB 항성의 최소 2/3 이상이 이중성으로 존재하는 이유는 무엇이며, 장주기 복합 스펙트럼 이중성과 짧은 주기 공통 외피 진화 이후 시스템 간의 구분 기준은 무엇인가?
• RQ2 금속 농도가 높고 저질량 거성이 공통 외피 진화 없이 안정적인 로흐 로브 오버플로우를 가능하게 하는 물리적 조건은 무엇인가?
• RQ3 초기 질량 함수가 이들을 형성하는 데 유리하다고 보아야 할 터인데, 왜 공통 외피 진화 이후의 sdB+주계열 이중성은 극히 희귀한가?
• RQ4 공통 외피 사건에서 주계열 동반자가 생존할 수 있는 조건은 무엇이며, 왜 오직 두 개의 시스템만 알려져 있는가?
• RQ5 짧은 주기 sdB+MS 이중성에서 생존한 동반자의 질량은 공통 외피 단계 동안의 질량 손실 역사와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 복합 스펙트럼 sdB 이중성의 평균 궤도 주기는 3–4년이며, 간격은 540–650 R☉로, 이는 공통 외피 탈출 없이 진화했다는 것을 시사한다.
• 원형 거성의 로흐 로브 반경(155–185 R☉)은 그들이 첫 번째 붉은 거성 가지 끝에서의 반경과 유사하거나 略적으로 작으며, 이는 로흐 로브 오버플로우가 끝자락 직전에 발생했다는 것을 의미한다.
• 금속 농도가 높고 넓은 이중성에서, 초기 보조성 질량가 1.0–1.3 M☉인 경우 질량 비율이 안정성 임계값 근처일 경우, 공통 외피 진화 없이 안정적인 질량 전이가 가능하다.
• 많은 수의 sdB+wd 이중성은 복합 스펙트럼 sdB 이중성과 동일한 진화 경로를 거쳐 형성될 수 있으며, 다만 약간 낮은 거성 빛의 밝기로 인해 헬륨 백색왜성 형성이 발생하고 sdB 항성이 아닌 경우가 있다.
• 광범위한 탐색에도 불구하고 관측된 공통 외피 진화 이후의 sdB+MS 이중성의 희귀성—오직 두 개뿐—은 대부분의 동반자가 공통 외피 단계에서 융합된다는 것을 시사한다.
• 이제까지 알려진 두 개의 금성식 sdB+MS 이중성의 동반자 질량은 약 0.14 M☉로, 매우 좁은 질량 범위를 나타낸다: 공통 외피를 살아남기에는 충분히 무겁지만 융합을 피하기 위해 너무 가볍지 않아야 하며, 이는 이 사건 동안 초기 질량의 대부분을 상실했다는 것을 암시한다.