[论文解读] Binaries discovered by the MUCHFUSS project: SDSS J162256.66$+$473051.1 - An eclipsing subdwarf B binary with a brown dwarf companion

V. Schaffenroth, S. Geier+6 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Feb 21, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 48被引用 34

一句话总结

该论文报告了在MUCHFUSS巡天中发现的SDSS J162256.66+473051.1——一个具有棕矮星伴星的食变亚矮B型双星系统。光谱与光度分析揭示其质量比为 q = 0.1325，轨道周期为 0.0697 天，伴星质量为 0.064 M☉，确认其为棕矮星，为亚恒星天体可驱动公共包层抛射从而形成sdB恒星提供了有力证据。

ABSTRACT

Hot subdwarf B stars (sdBs) are core helium-burning stars located on the extreme horizontal branch. About half of the known sdB stars are found in close binaries. Their short orbital periods of 1.2 h to a few days suggest that they are post common-envelope systems. Eclipsing hot subdwarf binaries are rare, but important to determine the fundamental stellar parameters. Low-mass companions are identified by the reflection effect. In most cases the companion is a main sequence star near the stellar mass limit. Here we report the discovery of an eclipsing hot subdwarf binary SDSS J162256.66+473051.1 (J1622) of very short orbital period (0.0697 d), found in the course of the MUCHFUSS project. The lightcurve shows grazing eclipses and a prominent reflection effect. An analysis of the light- and radial velocity (RV) curves indicated a mass ratio of $q=$ 0.1325, an RV semiamplitude $K=47.2 m\,km\,s^{-1}$, and an inclination of $i=72.33^\circ$. We show that a companion mass of 0.064 $M_{ m \odot}$, well below the hydrogen-burning limit, is the most plausible solution, which implies a mass close to the canonical mass (0.47 $M_{ m \odot}$) of the sdB star. Therefore, the companion is a brown dwarf, which not only survived the engulfment by the red-giant envelope, but also triggered its ejection, and enabled the sdB star to form. The rotation of J1622 is expected to be tidally locked to the orbit. However, J1622 rotates too slowly ($v_{ m rot}=74.5\pm 7 m\,km\,s^{-1}$) to be synchronized, challenging tidal interaction models.

研究动机与目标

• 利用斯隆数字巡天（SDSS）中的径向速度变化，识别热亚矮B星的紧凑且大质量的伴星。
• 确定食双星SDSS J162256.66+473051.1中不可见伴星的性质与质量。
• 检验亚恒星伴星是否可驱动公共包层抛射以形成sdB恒星，从而挑战经典的双星演化模型。
• 研究超短周期双星中的潮汐锁定现象，特别是sdB主星的非同步自转。
• 利用光度与光谱数据约束两子星的质量-半径关系及基本参数。

提出的方法

• 利用MUCHFUSS项目提供的光度光变曲线，检测SDSS J162256.66+473051.1中的擦食现象与反射效应。
• 分析高分辨率光谱的径向速度曲线，得出轨道半振幅 K = 47.2 km s⁻¹ 与质量比 q = 0.1325。
• 应用低质量恒星与棕矮星的理论质量-半径关系，将伴星质量限制在 0.055 至 0.075 M☉ 之间。
• 考虑主星强烈辐射对伴星半径的影响，修正因强照射导致的膨胀效应。
• 利用光变曲线建模得到的倾角 i = 72.33°，估算系统几何结构与轨道参数。
• 通过比较观测到的自转周期（vsin i = 74.5 ± 7 km s⁻¹）与轨道周期，评估潮汐相互作用模型，检验是否达到锁定。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量低于氢燃烧极限（0.08 M☉）的亚恒星伴星是否可驱动公共包层抛射，从而形成热亚矮B星？
• RQ2 食双星SDSS J162256.66+473051.1中不可见伴星的质量是多少？是否确认存在棕矮星？
• RQ3 为何sdB主星的自转速度显著慢于0.0697天轨道周期下预期的潮汐锁定值？
• RQ4 观测到的自转周期与轨道周期之比为 0.607 ± 0.065，是否与稳定的2:3共振一致？此类构型能否在公共包层阶段存活？
• RQ5 未来的高分辨率光谱能否探测到伴星受照射大气层的发射线，从而确认其性质并实现双谱双星分析？

主要发现

• SDSS J162256.66+473051.1的伴星质量为 0.064 M☉，远低于氢燃烧极限，确认其为棕矮星。
• 主星sdB的质量接近经典的 0.47 M☉，与公共包层演化后的理论模型一致。
• 该系统表现出擦食食变与强烈的反射效应，轨道周期为 0.0697 天（1.67 小时），是目前已知最短周期的食变sdB双星之一。
• sdB恒星的自转速度为 74.5 ± 7 km s⁻¹，显著慢于潮汐锁定预期，对标准潮汐相互作用模型构成挑战。
• 自转周期与轨道周期之比为 0.607 ± 0.065，接近2:3共振，提示可能存在一种在公共包层阶段幸存下来的共振构型。
• 该系统不太可能年轻，因此缺乏同步化现象暗示需重新审视潮汐演化模型，或考虑其他角动量转移机制。