[论文解读] Binaries discovered by the SPY project V. GD 687 - a massive double degenerate binary progenitor that will merge within a Hubble time

S. Geier, U. Heber+2 more|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|Mar 22, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 37被引用 20

一句话总结

本文识别出GD 687为一个大质量双白矮星双星系统，包含一颗炽热亚巨星B型星和一颗不可见的白矮星伴星，其因引力波辐射导致的轨道衰减将在约111亿年内引发合并——略短于一个哈勃时​​间。该系统的总质量接近1.18 M☉，可能的上限为1.4 M☉，处于钱德拉塞卡极限附近，使其成为罕见的超钱德拉塞卡白矮星或亚钱德拉塞卡Ia型超新星的前身体候选者，且是仅四个确认的sdB+WD系统中伴星为不可见白矮星的其中之一。

ABSTRACT

Aims. The ESO SN Ia Progenitor Survey (SPY) aims at finding merging double degenerate binaries as candidates for supernova type Ia (SN Ia) explosions. A white dwarf merger has also been suggested to explain the formation of rare types of stars like R CrB, extreme helium or He sdO stars. Here we present the hot subdwarf B binary GD 687, which will merge in less than a Hubble time. Methods. The orbital parameters of the close binary have been determined from time resolved spectroscopy. Since GD 687 is a single-lined binary, the spectra contain only information about the subdwarf primary and its orbit. From high resolution spectra the projected rotational velocity was derived. Assuming orbital synchronisation, the inclination of the system and the mass of the unseen companion were constrained. Results. The derived inclination is $i=39.3^{+6.2}_{-5.6}\,^{\circ}$. The mass $M_{ m 2}=0.71_{-0.21}^{+0.22}\,M_{ m \odot}$ indicates that the companion must be a white dwarf, most likely of C/O composition. This is only the fourth case that an sdB companion has been proven to be a white dwarf unambiguously. Its mass is somewhat larger than the average white dwarf mass, but may be as high as $0.93\,M_{ m \odot}$ in which case the total mass of the system comes close to the Chandrasekhar limit. Conclusions. GD 687 will evolve into a double degenerate system and merge to form a rare supermassive white dwarf with a mass in excess of solar. A death in a sub-Chandrasekhar supernova is also conceivable.

研究动机与目标

• 识别并表征大质量双白矮星双星系统，作为Ia型超新星（SN Ia）前身体的潜在候选者。
• 确定炽热亚巨星B型双星GD 687的轨道与物理参数，包括其不可见伴星的质量与性质。
• 评估GD 687是否将在一个哈勃时间内合并，且其总质量是否超过钱德拉塞卡极限，从而成为超钱德拉塞卡白矮星或亚钱德拉塞卡Ia型超新星的候选者。
• 为炽热亚巨星双星系统中轨道同步提供实证依据，支持推断伴星质量时所采用的假设。
• 为总质量接近钱德拉塞卡极限的双白矮星系统提供日益丰富的普查数据，以支持Ia型超新星前身体模型。

提出的方法

• 利用时域高分辨率光谱观测测量GD 687中单线谱sdB星的径向速度变化，从而确定轨道参数。
• 通过谱线加宽推导出sdB星的投影自转速度，该结果在假设轨道同步的前提下，对系统的轨道倾角构成约束。
• 利用推导出的倾角与径向速度振幅，计算质量函数，从而估算不可见伴星的质量与轨道倾角。
• 通过将GD 687的轨道周期（0.36天）与PG 0101+039和Feige 48等其他同步系统比较，并结合演化模型显示其位于ZAEHB序列上，验证了轨道同步假设的合理性。
• 伴星质量被约束为 $ M_2 = 0.71_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $，表明其为白矮星，极有可能为C/O组成。
• 通过主星质量（0.50 M☉）与伴星质量估算系统总质量，得到 $ 1.18_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $，伴星质量可能的上限为0.93 M☉。

实验结果

研究问题

• RQ1 GD 687是否拥有白矮星伴星？其质量与组成为何？
• RQ2 GD 687的轨道衰减是否会导致其在哈勃时间内发生合并？
• RQ3 该系统的总质量是否足以超过钱德拉塞卡极限，使其成为超钱德拉塞卡白矮星或亚钱德拉塞卡Ia型超新星的候选者？
• RQ4 基于其轨道周期与演化状态，GD 687的轨道同步是否在物理上成立？
• RQ5 与已知的其他双白矮星系统相比，GD 687在质量与合并 timescale 上有何异同？

主要发现

• GD 687的轨道倾角被约束为 $ i = 39.3^{+6.2}_{-5.6}^\textcircled{0} $，支持轨道同步的假设。
• 不可见伴星的质量为 $ M_2 = 0.71_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $，确认其为白矮星，极有可能为C/O组成。
• 系统总质量估算为 $ 1.18_{-0.21}^{+0.22} M_\bigodot $，伴星质量可能的上限为 $ 0.93 M_\bigodot $，使总质量接近钱德拉塞卡极限。
• 合并 timescale 为 $ 11.1 \text{ Gyr} $，短于一个哈勃时间，确认GD 687将在宇宙年龄内发生合并。
• 这是仅有的第四例确认的sdB星与白矮星伴星组成的双星系统，且是首例伴星质量如此巨大的系统。
• 该系统是罕见的超钱德拉塞卡白矮星或亚钱德拉塞卡Ia型超新星前身体候选者，为接近钱德拉塞卡极限的大质量双白矮星系统群体做出了重要贡献。