[论文解读] Population synthesis for double white dwarfs. II. Semi-detached systems: AM CVn stars

G. Nelemans, Simon Portegies Zwart+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用 156

一句话总结

本文通过双白矮星双星系统中的质量转移以及氦星伴星两种途径，模拟了AM CVn星的形成过程。研究发现，若无吸积盘存在，质量转移的稳定性取决于潮汐耦合；剧烈的氦燃烧可能破坏系统，导致银河系内AM CVn星的形成速率为1.1–6.8×10⁻³ yr⁻¹，总系统数量为1.6–9.4×10⁷，可观测系统数量受选择效应限制。

ABSTRACT

We study two models for AM CVn stars: white dwarfs accreting (i) from a helium white dwarf companion and (ii) from a helium-star donor. We show that in the first model possibly no accretion disk forms at the onset of mass transfer. The stability and the rate of mass transfer then depend on the tidal coupling between the accretor and the orbital motion. In the second model the formation of AM CVn stars may be prevented by detonation of the CO white dwarf accretor and the disruption of the system. With the most favourable conditions for the formation of AM CVn stars we find a current Galactic birth rate of 6.8 10^{-3} yr^{-1}. Unfavourable conditions give 1.1 10^{-3} yr^{-1}. The expected total number of the systems in the Galaxy is 9.4 10^{7} and 1.6 10^{7}, respectively. We model very simple selection effects to get some idea about the currently expected observable population and discuss the (quite good) agreement with the observed systems.

研究动机与目标

• 研究双白矮星系统中通过质量转移形成AM CVn星的形成路径。
• 评估在缺乏吸积盘（通常提供角动量反馈）的情况下，质量转移的稳定性。
• 评估在CO白矮星吸积体中，剧烈氦燃烧对AM CVn系统生存的影响。
• 在不同物理假设下，估算银河系中AM CVn星的形成速率与总系统数量。
• 将模型预测与观测到的系统进行比较，考虑基本的选择效应。

提出的方法

• 通过群体合成模拟追踪双星从零龄主序到半分离相的演化过程，纳入引力波驱动的轨道衰减。
• 利用标准公式计算引力波辐射引起的角动量损失率：(dJ/dt)_GWR = -32/5 G³/c⁵ M m (M+m)/a⁴。
• 质量转移稳定性由条件 q < 5/6 + ζ(m)/2 决定，其中 q = m/M，ζ(m) 为供体星的对数半径导数。
• 对于无吸积盘的系统，稳定性关键取决于吸积体与轨道之间的潮汐耦合效率。
• 爆炸性氦燃烧基于吸积速率与质量累积进行建模，CO白矮星吸积体在约0.7 M☉时发生爆炸。
• 构建两种模型：'高效'模型（无盘稳定性不关键）与'低效'模型（无盘稳定性至关重要），其爆炸阈值分别为0.15与0.3 M☉。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸积盘的形成在稳定双白矮星系统中质量转移（最终演化为AM CVn星）的过程中起什么作用？
• RQ2 缺乏吸积盘如何影响半分离双白矮星的质量转移稳定性与系统生存？
• RQ3 在CO白矮星吸积体中，剧烈的氦燃烧在多大程度上破坏潜在的AM CVn系统？
• RQ4 在不同关于盘形成与爆炸阈值的假设下，AM CVn星的预测银河系形成速率与总系统数量是多少？
• RQ5 简单的选择效应如何影响AM CVn星的预期可观测数量？与实际观测系统相比如何？

主要发现

• 在缺乏吸积盘的情况下，双白矮星系统中质量转移的稳定性关键取决于吸积体与轨道之间的潮汐耦合，若耦合效率低，则导致合并。
• 若无吸积盘形成，双白矮星形成AM CVn星的效率会严重受抑制，除非潮汐耦合效率高，这表明磁性耦合系统可能占主导地位。
• 剧烈的氦燃烧可能破坏系统，尤其在氦星伴星通道中，当CO白矮星吸积体质量达到约0.7 M☉时发生爆炸。
• 银河系中AM CVn星的形成速率取决于关于盘形成与爆炸阈值的假设，范围为1.1×10⁻³ yr⁻¹（不利条件）至6.8×10⁻³ yr⁻¹（有利条件）。
• 银河系中AM CVn系统的总数估计为1.6×10⁷（不利条件）至9.4×10⁷（有利条件），可观测系统数量因选择效应而减少。
• 简单的选择效应表明，在'低效'模型中，仅约1/30潜在可观测系统源自双白矮星，而在'高效'模型中，两种形成通道贡献大致相等，与观测到的周期分布一致。