[논문 리뷰] Population synthesis for double white dwarfs. II. Semi-detached systems: AM CVn stars

G. Nelemans, Simon Portegies Zwart외 2명|arXiv (Cornell University)|2001. 01. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 43인용 수 156

한 줄 요약

이 논문은 이중 백색왜성 이중성에서의 질량 전이와 헬륨 항성자기 기여자로부터 AM CVn 별의 형성을 두 가지 채널로 모델링한다. 응축 흐름이 없을 경우 질량 전이의 안정성은 tidal coupling에 달려 있으며, 폭발적 헬륨 연소는 시스템을 파괴할 수 있다. 이에 따라 은하계 내 탄생률은 1.1–6.8×10⁻³ yr⁻¹이며, 총 시스템 수는 1.6–9.4×10⁷개로 추정되며, 관측 가능한 인구는 선택 효과에 의해 제한된다.

ABSTRACT

We study two models for AM CVn stars: white dwarfs accreting (i) from a helium white dwarf companion and (ii) from a helium-star donor. We show that in the first model possibly no accretion disk forms at the onset of mass transfer. The stability and the rate of mass transfer then depend on the tidal coupling between the accretor and the orbital motion. In the second model the formation of AM CVn stars may be prevented by detonation of the CO white dwarf accretor and the disruption of the system. With the most favourable conditions for the formation of AM CVn stars we find a current Galactic birth rate of 6.8 10^{-3} yr^{-1}. Unfavourable conditions give 1.1 10^{-3} yr^{-1}. The expected total number of the systems in the Galaxy is 9.4 10^{7} and 1.6 10^{7}, respectively. We model very simple selection effects to get some idea about the currently expected observable population and discuss the (quite good) agreement with the observed systems.

연구 동기 및 목표

• 이중 백색왜성 이중성에서의 질량 전이와 헬륨 항성자기 기여자로부터 AM CVn 별의 형성 경로를 조사하기 위해.
• 일반적으로 각운동량 피드백을 제공하는 응축 흐름이 없는 상황에서 질량 전이의 안정성을 평가하기 위해.
• 특히 CO 백색왜성 수용체의 경우, 폭발적 헬륨 연소가 AM CVn 시스템의 생존에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 물리적 가정 하에 은하계 내 AM CVn 별의 탄생률과 총 인구를 추정하기 위해.
• 관측된 시스템과의 비교를 통해 기본적인 선택 효과를 고려한 모델 예측을 검토하기 위해.

제안 방법

• 인구 합성 시뮬레이션은 초기 주계열에서 반분리 상태에 이르기까지 이중성의 진화를 추적하며, 중력파에 의한 궤도 감쇠를 포함한다.
• 중력파 복사에 의한 각운동량 손실률은 표준 공식을 사용하여 계산된다: (dJ/dt)_GWR = -32/5 G³/c⁵ M m (M+m)/a⁴.
• 질량 전이의 안정성은 조건 q < 5/6 + ζ(m)/2에 의해 결정되며, 여기서 q = m/M이고 ζ(m)는 기여자의 대수적 반경 도함수이다.
• 응축 흐름이 없는 시스템의 경우, 수용체와 궤도 사이의 tidal coupling 효율성이 안정성에 결정적으로 영향을 미친다.
• 폭발적 헬륨 연소는 질량 전이율과 질량 축적에 기반하여 모델링되며, CO 백색왜성 수용체의 경우 약 0.7 M☉에서 폭발이 발생한다.
• 두 가지 모델이 구성된다: '효율적'(응축 흐름이 없는 안정성이 중요하지 않음)과 '비효율적'(응축 흐름이 없는 안정성이 핵심임), 각각 폭발 임계값이 다름(0.15 vs. 0.3 M☉).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 응축 흐름 형성이 이중 백색왜성 이중성에서 AM CVn 별이 되는 데로 향하는 질량 전이를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 응축 흐름이 없는 경우 반분리 상태에 있는 이중 백색왜성 이중성의 안정성과 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 CO 백색왜성 수용체에서의 폭발적 헬륨 연소가 잠재적 AM CVn 시스템을 얼마나 심각하게 파괴하는가?
• RQ4 응축 흐름 형성과 폭발 임계값에 대한 다양한 가정 하에 AM CVn 별의 예상 은하계 탄생률과 총 인구는 무엇인가?
• RQ5 간단한 선택 효과는 예상 가능한 관측 가능한 AM CVn 별 인구에 어떤 영향을 미치며, 관측된 시스템과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 응축 흐름이 없는 경우 이중 백색왜성 이중성에서 질량 전이의 안정성은 수용체와 궤도 사이의 tidal coupling에 의해 결정되며, 비효율적인 커플링은 합체로 이어진다.
• 응축 흐름이 형성되지 않으면 이중 백색왜성에서 AM CVn 별의 형성이 심각하게 억제되며, 타이드 커플링이 효율적이지 않으면 자율적으로 형성된 시스템이 지배적일 수 있다.
• 폭발적 헬륨 연소는 시스템을 파괴할 수 있으며, 특히 헬륨 항성자기 기여자 채널에서 CO 백색왜성 수용체가 약 0.7 M☉에 도달할 때 폭발이 발생한다.
• 은하계 내 AM CVn 별의 탄생률은 유리한 조건일 경우 6.8×10⁻³ yr⁻¹에서 불리한 조건일 경우 1.1×10⁻³ yr⁻¹까지 다양하게 변동하며, 응축 흐름 형성과 폭발 임계값에 대한 가정에 따라 달라진다.
• 은하계 내 AM CVn 시스템의 총 수는 불리한 조건일 경우 약 1.6×10⁷개에서 유리한 조건일 경우 9.4×10⁷개로 추정되며, 관측 가능한 인구는 선택 효과로 인해 감소한다.
• 간단한 선택 효과에 따르면 '비효율적' 모델에서는 약 30개 중 1개 정도의 관측 가능한 시스템만 이중 백색왜성에서 유래할 뿐이며, '효율적' 모델에서는 두 채널이 거의 동일한 기여를 하며, 관측된 주기 분포와 일치한다.