[논문 리뷰] Post common envelope binaries from SDSS. XII: The orbital period distribution

A. Nebot Gómez-Morán, B. T. Gänsicke외 19명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 73인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 스탠드어웨이 디지털 스카이 서베이(SDSS)에서 얻은 공통-envelope 이중성의 궤도주기 분포를 분석하며, 후속 스펙트로스코피와 SDSS 서브스펙트럼을 통한 도플러 속도 측정을 통해 총 191개의 PCEB를 식별하였고, 그 중 79개는 궤도주기를 측정하였다. 편향 보정된 주기 분포는 약 10.3시간에 피크를 이룬다. 일주일 내외의 주기 범위에는 유의미한 인구가 없으며, 이는 낮은 공통-envelope 에너지 매개변수(α_CE)와 이른 시기의 주성분을 가진 이중성에 대한 관측 선택 편향을 시사한다.

ABSTRACT

The complexity of the common envelope phase and of magnetic stellar wind braking currently limits our understanding of close binary evolution. Because of their intrinsically simple structure, observational population studies of white dwarf plus main sequence (WDMS) binaries hold the potential to test theoretical models and constrain their parameters. The Sloan Digital Sky Survey (SDSS) has provided a large and homogeneously selected sample of WDMS binaries, which we are characterising in terms of orbital and stellar parameters. We have obtained radial velocity information for 385 WDMS binaries from follow-up spectroscopy, and for an additional 861 systems from the SDSS sub-spectra. Radial velocity variations identify 191 of these WDMS binaries as post common envelope binaries (PCEBs). Orbital periods of 58 PCEBs were subsequently measured, predominantly from time-resolved spectroscopy, bringing the total number of SDSS PCEBs with orbital parameters to 79. Observational biases inherent to this PCEB sample were evaluated through extensive Monte Carlo simulations. We find that 21-24% of all SDSS WDMS binaries have undergone common envelope evolution, which is in good agreement with published binary population models and high-resolution HST imaging of WDMS binaries unresolved from the ground. The bias corrected orbital period distribution of PCEBs ranges from 1.9 h to 4.3 d and follows approximately a normal distribution in log(Porb), peaking at ~10.3 h. There is no observational evidence for a significant population of PCEBs with periods in the range of days to weeks. The large and homogeneous sample of SDSS WDMS binaries provides the means to test fundamental predictions of binary population models, and hence to observationally constrain the evolution of all close compact binaries.

연구 동기 및 목표

• 대규모이고 균일한 SDSS 백색왜성-주계열성(WDMS) 이중성 샘플에서 후속공통-envelope 이중성(PCEB)의 본질적 궤도주기 분포를 규명하기 위해.
• 몽테카를로 시뮬레이션을 사용하여 SDSS PCEB 샘플의 관측 편향을 보정하고 신뢰할 수 있는 주기 분포를 도출하기 위해.
• 관측된 PCEB 성질을 이론적 이중성 인구합성 모델과 비교하여 공통-envelope 단계의 효율성(α_CE)에 대한 제약을 얻기 위해.
• 관측 선택 편향, 특히 이른 유형의 주계열성 동반성에 대한 편향이 관측된 PCEB 주기 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• spectroscopically 확인된 대규모 샘플을 바탕으로 공통-envelope 단계와 가까운 이중성 진화에서 자기장 브레이킹의 실증적 제약을 제공하기 위해.

제안 방법

• 385개의 SDSS WDMS 이중성에 대한 후속 스펙트로스코피와 추가 861개 시스템의 SDSS 서브스펙트럼에서 도플러 속도 변화를 측정하여 PCEB를 식별하였다.
• 시간에 따라 변화하는 스펙트로스코피를 사용하여 58개의 PCEB의 궤도주기를 결정하였으며, 이로 인해 궤도주기를 알 수 있는 SDSS PCEB의 총 수는 79개로 증가하였다.
• 감도 한계, 신호 대 잡음비, 동반성 스펙트럼 유형 의존성 등을 포함한 관측 선택 편향을 모델링하기 위해 몽테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 관측된 분포를 시뮬레이션된 선택 함수로 역디컨볼루션하여 편향 보정된 궤도주기 분포를 유도하였다.
• 이론적 모델을 관측된 주기 분포와 비교하여 공통-envelope 에너지 매개변수(α_CE)에 대한 제약를 유도하였다.
• 더 무거운 동반성이 더 긴 공통-envelope 이후 주기를 유도할 것임을 고려하여 동반성 질량에 따른 주기 의존성도 고려했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 편향 보정 후 SDSS 샘플의 PCEB 본질적 궤도주기 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 왜 관측 샘플에서 1일 이상의 궤도주기를 가진 PCEB가 존재하지 않는가?
• RQ3 특히 이른 유형의 주계열성 동반성에 대한 관측 선택 편향이 관측된 PCEB 주기 분포에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 장기간 주기 PCEB의 부족은 낮은 공통-envelope 에너지 매개변수(α_CE) 값으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이론적 이중성 인구합성 모델은 관측된 SDSS PCEB 성질을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• SDSS WDMS 이중성 중 M형 왜성 동반성을 가진 시스템의 21–24%가 공통-envelope 진화를 겪었으며, 이는 이론적 모델과 허블 우주망원경(HST) 이미징 결과와 일치한다.
• SDSS PCEB의 편향 보정된 궤도주기 분포는 1.9시간에서 4.3일 사이이며, log(P_orb)에 대해 정규분포를 따르며 약 10.3시간에 피크를 이룬다.
• 일주일 내외의 주기 범위에 유의미한 PCEB 인구가 존재하지 않으며, 이는 장기간 주기 시스템의 심각한 부족을 시사한다.
• 관측된 장기간 주기 PCEB의 부족은 관측 선택 편향 때문이 아니라 낮은 공통-envelope 에너지 매개변수(α_CE) 값으로 가장 잘 설명된다.
• 이른 유형의 동반성에 대한 관측 선택 편향은 특히 장기간 주기 범위에서 관측된 주기 분포에 기여한다.
• 결과는 최신 기술의 이중성 인구합성 모델이 실제 관측 선택 편향을 포함해야만 SDSS WDMS 샘플의 진단 잠재력을 완전히 해방시킬 수 있음을 뒷받침한다.