[논문 리뷰] Post-common-envelope binaries from SDSS. XI: The white dwarf mass distributions of CVs and pre-CVs

M. Zorotovic, M. R. Schreiber외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 23.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 149인용 수 143

한 줄 요약

이 연구는 SDSS 데이터를 사용하여 초신성형 변이성 항성(CVs)과 그 조상인 전-CVs에서 백색왜성(WD) 질량 분포를 비교한다. CVs의 평균 WD 질량(0.83 ± 0.23 M☉)은 전-CVs의 평균 질량(0.67 ± 0.21 M☉)보다 유의미하게 높으며, 이는 CVs에서의 고질량 백색왜성이 관측 편향 때문이 아니라 내재된 진화 과정의 결과일 가능성이 있음을 시사한다. 이는 표준 CV 진화 모델에 도전하며, 제1형 초신성의 원천으로서의 잠재적 영향을 시사한다.

ABSTRACT

We have known for a long time that many of the measured white dwarf (WD) masses in cataclysmic variables (CVs) significantly exceed the mean mass of single WDs. This was thought to be related to observational biases, but recent high-precision measurements of WD masses in a great number of CVs are challenging this interpretation. We review the measured WD masses of CVs, determine the WD-mass distribution of an extensive sample of post-common-envelope binaries (PCEBs) that are representative for the progenitors of the current CV population (pre-CVs) and compare both distributions. We calculate the CV formation time of the PCEBs in our sample by determining the post common-envelope (CE) and the main-sequence evolution of the binary systems and define a pre-CV to be a PCEB that evolves into a semi-detached configuration with stable mass transfer within less than the age of the Galaxy. Possible observational biases affecting the WD-mass distribution for the pre-CV and the CV samples are discussed. The mean WD mass among CVs is =0.83\pm0.23 Msun, much larger than that found for pre-CVs, =0.67\pm0.21 Msun. Selection effects cannot explain the high WD masses observed in CVs and we here suggest two possible explanations, both of which imply substantial revisions to the standard model of CV evolution: either most CVs have formed above the orbital-period gap (which requires a high WD mass to initiate stable mass transfer or a previous phase of thermal-timescale mass transfer), or the mass of the WDs in CVs grows through accretion (which strongly disagrees with the predictions of classical nova models). Both options may imply that CVs contribute to the single-degenerate progenitors of Type Ia supernovae. The number of He-core WDs found in CVs (<=10%) is roughly consistent with the number of He-core WDs in pre-CVs (<=17+-8%), which indicates a low value of the CE efficiency.

연구 동기 및 목표

• 관측된 초신성형 변이성 항성(CVs)에서의 고질량 백색왜성이 그 조상 시스템에서 유전된 것인지, 또는 관측 편향 때문인지 확인하는 것.
• SDSS 데이터를 사용하여 탈공전 이중성 시스템(PCEBs)의 대표 표본에서 백색왜성 질량 분포를 측정하는 것.
• 전-CVs와 CVs의 WD 질량 분포를 비교하여, CVs에서 관측된 고질량이 탈공전 단계에서 이미 각인되어 있는지 평가하는 것.
• 공전공진 효율성과 신성 폭발이 CVs의 WD 질량을 어떻게 형성하는지 평가하고, 이중성 인구 합성 모델의 예측을 검증하는 것.
• 전-CVs와 CVs에서 헬륨핵 백색왜성 비율을 조사하여 공전공진 단계 효율성에 대한 제약 조건을 유추하는 것.

제안 방법

• 스펙트로스코픽 및 광도 측정 데이터를 바탕으로 백색왜성 질량과 궤도 주기를 결정하기 위해 슬론 디지털 스카이 서베이(SDSS)에서 54개의 PCEBs를 확보하였다.
• 이중성 시스템의 탈공전 후 진화 및 주계열 별 진화 모델링을 통해 CVs의 형성 시기를 계산하였다.
• 은하수명(~13 Gyr) 이내에 안정적인 질량 전이를 갖는 반결합 구조로 진화하는 경우, 시스템을 전-CV로 정의하였다.
• 속도 및 광도 측정을 통해 백색왜성 질량, 효율 온도, 표면 조성을 유도하였다.
• 전-CV 및 CV 표본 모두의 선택 효과를 고려하였으며, magnitude 한계, 탐지 편향, 스펙트럼 유형 의존성 등을 포함하였다.
• 관측된 WD 질량 분포를 이중성 인구 합성 모델의 예측과 비교하였으며, 특히 헬륨핵 WD 비율에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성형 변이성 항성(CVs)에서 관측된 고질량 백색왜성이 관측 편향 때문인지, 또는 내재된 진화 과정의 결과인지?
• RQ2 전-CVs—CVs의 조상인 탈공전 이중성 시스템—에서의 백색왜성 질량 분포는 관측된 CVs의 분포와 어떻게 다른가?
• RQ3 전-CVs와 CVs에서 관측된 헬륨핵 백색왜성 비율이 표준 이중성 진화 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ4 공전공진 진화와 신성 침식이 예측하는 낮은 질량과 관측된 고질량 백색왜성 간의 괴리로 인한 불일치는 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ5 관측된 WD 질량 분포는 초신성형 제1형 초신성의 단일-백색왜성 원천으로서의 CVs의 역할에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CVs에서의 평균 백색왜성 질량은 0.83 ± 0.23 M☉이며, 전-CVs의 0.67 ± 0.21 M☉보다 유의미하게 높다. 이는 고질량이 선택 편향 때문이 아니라는 것을 시사한다.
• CVs에서의 헬륨핵 백색왜성 비율은 ≤10%이며, 전-CVs에서는 ≤17 ± 8%로, 양측 모두 모델 예측보다 현저히 낮다. 이는 공전공진 효율성이 낮음을 시사한다.
• CVs에서의 고질량 백색왜성이 관측 편향 때문이 아니라는 점은, 두 표본 모두 철저히 선택되었고 탐지 한계 및 스펙트럼 유형 의존성에 대해 보정된 점에서 입증된다.
• 관측된 질량과 예측된 질량 간 괴리는 대부분의 CVs가 궤도 주기 갭 이외의 영역에서 형성되었음을 시사하거나, 백색왜성 질량이 침식이 아닌 침식을 통해 증가했음을 의미하며, 이는 고전적 신성 모델과 모순된다.
• 전-CVs와 CVs 간의 헬륨핵 백색왜성 비율 일관성은 낮은 공전공진 효율성을 지지하며, 이중성 진화 모델의 표준 가정에 도전한다.
• 결과는 CVs가 백색왜성 질량 증가가 침식이 아닌 침식을 통해 발생할 경우, 제1형 초신성의 단일-백색왜성 채널에 기여할 수 있음을 시사한다.