[论文解读] Luminosity function suggests up to 100 white dwarfs within 20 pc may be hiding in multiple systems

Boaz Katz, Subo Dong+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文认为，由于与主序星伴星相比亮度对比过高，导致观测偏差，距离太阳20秒差距内多达100颗白矮星在多重系统中可能未被探测到。利用邻近白矮星的光度函数，研究发现双星系统中较暗的白矮星数量显著少于理论预期，表明太阳邻近区域的真实白矮星密度可能达到目前观测值的两倍。

ABSTRACT

We examine the luminosity function of white dwarfs (WDs) in the local ``complete'' WD sample ($d<20$ pc) of Holberg et. al. 2008. We find that the fraction of bright and young WDs is anomalously high among the WDs detected in multiple systems with main sequence (MS) companions compared to that of the single WDs and theoretical expectations. This indicates a significant observation bias against finding relatively faint WDs in multiple systems. At the bright end ($M_V<11.5$), the amount of WDs with MS companions is approximately equal to that of single white dwarfs, indicating that $\gtrsim 50\%$ of WDs have MS companions, consistent with the high multiplicity fraction of early-type MS stars. If true, a significant fraction of WDs in multiple systems within 20 pc may have not been detected yet, and the number density of WDs in the solar neighborhood and elsewhere may be up to twice as much as presently believed.

研究动机与目标

• 调查主序星的高多重性分数与白矮星的低观测多重性分数之间的差异。
• 检验白矮星实际多重性较低是否由于在明亮主序星伴星附近遗漏了较暗白矮星而造成的观测偏差。
• 评估20秒差距内本地白矮星样本的完整性，并评估光度函数异常对群体估计的影响。
• 估算多重系统中缺失的白矮星数量，并据此修正本地白矮星数量密度。

提出的方法

• 分析了Holberg等人（2008年）在20秒差距内样本中白矮星的绝对视星等分布，比较了单个白矮星与具有主序星伴星的双星系统中的白矮星。
• 使用Wood（1995年）的冷却模型，根据有效温度和表面重力计算得到的总辐射光度，估算冷却年龄。
• 基于过去30亿年白矮星形成率恒定的假设，构建理论光度函数，使用绝对星等与冷却年龄之间的经验关系。
• 将光度函数模型应用于预测单星和双星系统中各星等区间内预期的白矮星数量。
• 计算在理论模型下观测到当前亮度白矮星数量的概率，以检验其统计显著性。
• 利用双星系统中较暗白矮星的观测不足，推断样本不完整，并估算缺失白矮星的数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何白矮星的观测多重性分数显著低于相同质量主序星的多重性分数？
• RQ2 白矮星实际多重性较低在多大程度上是由于与主序星伴星对比度过高而造成的观测偏差？
• RQ3 多重系统中白矮星的光度函数与基于冷却模型的理论预期相比如何？
• RQ4 考虑到观测到的光度函数异常，20秒差距内多重系统中未探测到的白矮星数量是多少？
• RQ5 白矮星样本的不完整性如何影响本地白矮星数量密度的估计？

主要发现

• 具有主序星伴星的白矮星光度函数在较暗星等（MV > 11.5）区域存在显著缺失，与单个白矮星及理论预期相比。
• 在双星系统中观测到的明亮白矮星数量（MV < 11.5，共5颗）是理论模型预测值（1.0颗）的5倍，且仅0.4%的概率是泊松涨落所致，具有高度统计显著性。
• 观测到的多重系统中白矮星的光度函数大致均匀，而基于冷却模型的预期光度函数在较暗星等处达到峰值，表明存在强烈的观测偏差。
• 分析表明，由于在高对比度双星系统中探测困难，目前调查中可能有高达100颗白矮星在20秒差距内缺失。
• 如果真实白矮星群体数量是当前观测值的两倍，则本地白矮星数量密度可能达到目前公认值的两倍。
• 本研究对20秒差距内白矮星样本80%完整性的说法提出质疑，表明不完整性显著，且可能源于在主序星伴星系统中未被探测到的白矮星。