[논문 리뷰] The spin rates and flattening of O stars in WR + O binaries. I. Motivation, methodology and first results from SALT

Michael M. Shara, Steven M. Crawford외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 30.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 SALT 분광법을 사용하여 WR+O 이중성에서 10개의 O형 항성의 스핀 속도를 측정하여, 모든 항성에서 초동기성 회전을 관측했으며, 평균 등위속도는 HeI 기준 348 km/s, HeII 기준 173 km/s로, WR 동반성으로부터의 상당한 각운동량 이행을 시사한다. 관측된 속도(붕괴 속도의 65%)와 예측된 스핀업(약 530 km/s) 사이의 괴리로 인해 WR 단계 동안 효율적인 스핀다운 메커니즘이 존재할 가능성이 제기되며, 이는 tidal 동기화 이론에 도전한다.

ABSTRACT

The black holes (BH) in merging BH-BH binaries are likely progeny of binary O stars. Their properties, including their spins, will be strongly influenced by the evolution of their progenitor O stars. The remarkable observation that many single O stars spin very rapidly can be explained if they accreted angular momentum from a mass-transferring, O-type or Wolf-Rayet companion before that star blew up as a supernova. To test this prediction, we have measured the spin rates of eight O stars in Wolf-Rayet (WR) + O binaries, increasing the total sample size of such O stars' measured spins from two to ten. Polarimetric and other determinations of these systems' sin i allow us to determine an average equatorial rotation velocity from HeI (HeII) lines of $v_e$ = 348 (173) km/s for these O stars, with individual star's $v_e$ from HeI (HeII) lines ranging from 482 (237) to 290 (91) km/s. We argue that the $\sim$ 100\% difference between HeI and HeII speeds is due to gravity darkening. Super-synchronous spins, now observed in all 10 O stars in WR + O binaries where it has been measured, are strong observational evidence that Roche lobe overflow mass transfer from a WR progenitor companion has played a critical role in the evolution of WR+OB binaries. While theory predicts that this mass transfer rapidly spins-up the O-type mass gainer to a nearly break-up rotational velocity $v_e \sim 530 $ km/s, the observed average $v_e$ of the O-type stars in our sample is 65\% that speed. This demonstrates that, even over the relatively short WR-phase timescale, tidal and/or other effects causing rotational spin-down must be efficient. A challenge to tidal synchronization theory is that the two longest-period binaries in our sample (with periods of 29.7 and 78.5 days) unexpectedly display super-synchronous rotation.

연구 동기 및 목표

• WR 동반성으로부터의 질량 이행이 이중성 내 O형 항성의 스핀을 증가시킨다는 가설을 검증하기 위해.
• 극도 및 분광적 방법을 사용하여 WR+O 이중성 내 O형 항성의 회전 속도를 결정하기 위해.
• tidal 또는 기타 메커니즘이 WR 단계 동안 스핀다운을 유도하는지 평가하기 위해.
• 이론적 예측된 근접붕괴 스핀 속도와 관측된 낮은 회전 속도 사이의 괴리 원인을 조사하기 위해.

제안 방법

• Southern African Large Telescope(SALT)를 사용하여 HeI 및 HeII 선을 분광적으로 분석하여 투영된 회전 속도를 측정하기 위해.
• 편광 측정 및 궤도 해법을 통해 기울기 각도(sin i)를 결정하여 등위속도로의 보정을 가능하게 하기 위해.
• Roche 등위 표면을 초과한 질량 이행에 의한 스핀업 이론적 예측과 관측된 등위속도를 비교하기 위해.
• HeI 및 HeII 선에서 유도된 속도 차이를 설명하기 위해 중력 어두워짐 모델을 사용하기 위해.
• 10개의 WR+O 이중성 내 O형 항성의 스핀 속도를 통계적으로 분석하여 궤도 주기와의 추세를 평가하기 위해.
• 장기 이중성(29.7 및 78.5일)에서 예상치 못한 초동기성 회전을 설명하기 위해 tidal 동기화 모델을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WR+O 이중성 내 O형 항성이 초동기성 회전을 얼마나 많이 보이며, 이는 질량 이행 역사에 어떤 함의를 지니는가?
• RQ2 왜 관측된 평균 등위속도(348 km/s)가 질량 이행 이후 예측된 붕괴 속도(530 km/s)의 65%에 불과한가?
• RQ3 이 O형 항성에서 HeI 및 HeII 선으로부터 유도된 속도 사이에 100%의 차이가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ4 왜 두 개의 장기 이중성(29.7 및 78.5일)에서 초동기성 회전이 관측되었는가? 이는 tidal 동기화 이론과 모순된다.
• RQ5 강한 초기 스핀업이 질량 이행으로 인해 발생했음에도 불구하고, WR 단계에서 관측된 O형 항성의 스핀다운을 이끄는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• WR+O 이중성 내 O형 항성의 평균 등위속도는 HeI 선 기준 348 km/s, HeII 선 기준 173 km/s로, 중력 어두워짐으로 인한 상당한 차이로 보인다.
• 측정된 스핀을 가진 10개의 WR+O 이중성 내 O형 항성 전부가 초동기성 회전을 보이며, 이는 질량 이행이 스핀업에 기여함을 뒷받침한다.
• 관측된 평균 등위속도(348 km/s)는 이론적 붕괴 속도(530 km/s)의 65%에 불과하여, WR 단계 동안 효율적인 스핀다운 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• HeI 및 HeII 선에서 유도된 속도 사이의 100% 차이는 회전 왜곡이 아니라 중력 어두워짐 때문임이 밝혀졌다.
• 가장 장기적인 두 이중성(29.7 및 78.5일)에서 초동기성 회전이 관측되어, tidal 힘이 이러한 시스템의 회전을 동기화시킬 것이라는 기대와 모순된다.
• 결과는 WR 원형성으로부터의 질량 이행이 O형 항성 및 블랙홀 원형성의 스핀 진화를 주도하는 핵심 요인임을 강력한 관측적 증거로 제시한다.