[논문 리뷰] Tidally excited oscillations in MACHO 80.7443.1718: Changing amplitudes and frequencies, high-frequency tidally excited mode, and a decrease in the orbital period

Piotr A. Kołaczek-Szymański, A. Pigulski외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 23.

Spectroscopy and Laser Applications참고 문헌 61인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 30년간의 지상 기반 및 TESS 광도 측정 자료를 이용해 극단적인 하트비트 항성 MACHO 80.7443.1718에서 tidaly excited oscillations (TEOs)를 조사한다. TEOs에서 변동하는 진폭과 주파수, 새로운 것으로 확인된 n=230 모드를 발견하여 비선형 모드 결합을 시사하며, 약 ~11초/년의 감소하는 궤도 주기로 인해 질량 손실, tidal 소산 또는 제3의 항성으로부터의 영향을 제기한다. 이러한 결과들은 현재의 TEO 자극 이론에 도전하며, TEOs가 질량이 큰 이중성계의 진화에서 핵심적인 역할을 한다고 강조한다.

ABSTRACT

Eccentric ellipsoidal variables (aka heartbeat stars) is a class of eccentric binaries in which proximity effects, tidal distortion due to time-dependent tidal potential in particular, lead to measurable photometric variability close to the periastron passage. The varying tidal potential may also give rise to tidally-excited oscillations (TEOs). TEOs may play an important role in the dynamical evolution of massive eccentric systems. Our study is aimed at the detection of TEOs and characterisation of the long-term behaviour of their amplitudes and frequencies in the extreme-amplitude heartbeat star MACHO 80.7443.1718, consisting of a blue supergiant and a late O-type massive dwarf. We use two seasons of Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) observations of the target to obtain new 30-min cadence photometry by means of the difference image analysis of TESS full-frame images. In order to extend the analysis to longer time scales, we supplement the TESS data with 30-years long ground-based photometry of the target. We confirm the detection of the known $n=23$, 25, and 41 TEOs and announce the detection of two new TEOs, with $n=24$ and 230, in the photometry of MACHO 80.7443.1718. Amplitudes of all TEOs were found to vary on a time scale of years or months. For $n=25$ TEO amplitude and frequency changes are related, which may indicate that the main cause of the amplitude drop of this TEO in TESS observations is the change of its frequency and increase of detuning parameter. The light curve of the $n=230$ TEO is strongly non-sinusoidal. Its high frequency may indicate that the oscillation is a strange mode. We also find that the orbital period of the system decreases at the rate of about 11 s(yr)$^{-1}$, which can be explained by a significant mass loss or mass transfer in the system with a possible contribution from tidal dissipation.

연구 동기 및 목표

• 극단적인 하트비트 항성 MACHO 80.7443.1718에서 조장된 조석 진동(TEOs)의 장기적 변동성을 탐지하고 특성화하는 것.
• 특히 n=25 및 n=41 모드에서 관측된 진폭과 주파수의 변화 원인을 조사하는 것.
• 30년 간 약 ~11초/년의 감소율로 관측된 궤도 주기 감소의 근본 원인을 규명하는 것.
• 고주파수 TEOs(예: n=230)와 비정현적 광도 곡선이 별의 진동 이론에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• TEOs가 질량이 큰 타원형 이중성계의 천체 역학적 진화에서 에너지 소산 및 운동량 이동에 기여하는 방식을 평가하는 것.

제안 방법

• 신호 대비 잡음 비율을 향상시키기 위해 차분 이미지 분석(pyDIA)을 사용해 TESS 전체 프레임 이미지에서 30분 간격의 광도 측정 자료를 확보하였다.
• MACHO 및 ASAS-SN 설문 조사에서 확보한 30년간의 지상 기반 광도 측정 자료와 TESS 자료를 융합하여 시간 기반을 연장하였다.
• Fourier 기법을 적용하여 TEOs를 탐지하고, 시간에 따른 진폭, 주파수, 위상 안정성 분석을 수행하였다.
• n=230 TEO의 광도 곡선을 모델링하여 비정현적 형태를 평가하고, 모드 유형(예: 이상 모드)을 추론하였다.
• 질량 함수와 궤도 기울기를 사용해 성분의 질량을 추정하고 질량 이동 또는 손실률을 평가하였다.
• 관측된 궤도 주기 감소에 대한 여러 메커니즘—질량 손실, 조석 소산, 제3의 천체에 의한 영향—을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MACHO 80.7443.1718에서 관측된 조장된 진동(TEOs)의 진폭과 주파수 변화의 원인은 무엇인가요?
• RQ2 표준 조석 결합 계수에 따르면 발생하지 않아야 할 n=230 고주파수 TEO가 어떻게 자극되는가요?
• RQ3 비조화 파rameter와 모드 결합의 변화가 n=25 TEO의 진폭 감소를 어떻게 설명할 수 있나요?
• RQ4 30년 간 약 ~11초/년의 감소율을 보인 궤도 주기 감소를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ5 고진폭 TEOs가 질량이 큰 타원형 이중성계의 천체 역학적 진화에 얼마나 큰 영향을 미치는가요?

주요 결과

• 이 연구는 n=23, 25, 41에서 알려진 TEOs의 존재를 확인하고, MACHO 80.7443.1718의 광도 측정 자료에서 n=24 및 n=230에서 새로운 TEOs를 탐지한 바 있다.
• 모든 TEOs의 진폭은 수개월에서 수년의 시간 척도에서 변동하며, n=25 TEO는 진폭과 주파수 변화가 상관관계를 보여, 비조화 또는 비선형 모드 결합과의 관련성을 시사한다.
• n=230 TEO는 강하게 비정현적인 광도 곡선을 보이며, 이상 모드일 가능성이 있어 표준 TEO 자극 모델에 도전한다.
• 이 시스템의 궤도 주기는 지난 30년 동안 약 매년 11초의 감소율을 보였으며, 질량 손실, 조석 소산 또는 먼 제3의 항성으로 인한 영향과 일치한다.
• 광도 곡선의 난수성 변동은 질량이 큰 진화한 별에서 예상되는 행동과 일치하여, 주성의 블루 슈퍼진성 상태를 별도로 확인한다.
• 결과적으로 TEOs가 궤도 에너지와 운동량을 크게 소모시켜, 질량이 큰 이중성계에서 빠른 궤도 감소 또는 심지어 융합에 이르게 할 수 있음을 시사한다.