[論文レビュー] 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. Pigulski+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

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ひとこと要約

本研究は、30年間の地上観測およびTESSの光度計測を用いて、極端なハートビート星MACHO 80.7443.1718における潮汐励起振動（TEOs）を調査した。TEOsの振幅と周波数の変動、および新たに検出されたn=230モードの存在が明らかになった。これは非線形モード結合を示唆しており、約11 s/年の割合で軌道周期が減少していることも判明し、質量損失、潮汐散逸、または第三の恒星の存在が関係している可能性がある。これらの結果は、現在のTEO励起理論に疑問を呈し、TEOsが質量の大きな連星系の進化において重要な駆動要因であることを強調している。

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.

研究の動機と目的

• 極端なハートビート星MACHO 80.7443.1718における潮汐励起振動（TEOs）の長期的変動を検出および特徴付けること。
• 特にn=25およびn=41モードにおける振幅と周波数の変化の原因を調査すること。
• 過去30年間にわたり約11 s/年の割合で減少している観測された軌道周期の原因を特定すること。
• 高周波数TEOs（例：n=230）および非正弦波的光曲線が星の脈動理論に与える影響を調査すること。
• TEOsが質量の大きな離心率の高い連星系の力学的進化に果たす役割、特にエネルギー散逸と角運動量移動の観点から評価すること。

提案手法

• 信号対雑音比を向上させるために、差分画像解析（pyDIA）を用いてTESSのフルフレーム画像から30分間隔の光度計測を取得した。
• MACHOおよびASAS-SN調査による30年間の地上光度計測とTESSデータを統合し、時間的ベースラインを延長した。
• フーリエ解析を用いてTEOsを検出し、時間経過に伴う振幅、周波数、位相安定性を分析した。
• n=230 TEOの光曲線をモデル化し、その非正弦波的形状を評価し、モード型（例：スラングモード）を推定した。
• 質量関数と軌道の傾きを用いて、恒星の質量を推定し、質量移動または損失率を評価した。
• 観測された軌道周期の減少を説明する複数のメカニズム（質量損失、潮汐散逸、第三天体の摂動）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MACHO 80.7443.1718における潮汐励起振動の振幅と周波数の変動の原因は何か？
• RQ2 標準的な潮汐結合係数が示すところでは励起されないはずの高周波数TEO（n=230）がなぜ励起されているのか？
• RQ3 デチューニングパラメータの変化およびモード結合が、n=25 TEOの振幅低下をどのように説明できるか？
• RQ4 30年間にわたり約11 s/年の割合で減少している軌道周期の減少を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 高振幅TEOsが、質量の大きな離心率の高い連星系の力学的進化にどの程度影響を与えているか？

主な発見

• 本研究では、既知のTEOs（n=23, 25, 41）の存在を確認し、MACHO 80.7443.1718の光度計測においてn=24およびn=230の2つの新しいTEOsを検出した。
• すべてのTEOsの振幅は数か月から数年のスケールで変動しており、特にn=25 TEOでは振幅と周波数の相関した変化が観測され、デチューニングまたは非線形モード結合との関連を示唆している。
• n=230 TEOは強く非正弦波的な光曲線を示しており、スラングモードである可能性を示唆し、標準的なTEO励起モデルに挑戦するものである。
• このシステムの軌道周期は、過去30年間で約11秒/年の割合で減少しており、質量損失、潮汐散逸、または遠方の第三の恒星の存在と整合的である。
• 光曲線の確率的変動は、質量の大きな進化した星が示す予想される挙動と一致しており、主星が青超巨星であるという立場を独立して裏付けた。
• これらの結果は、TEOsが軌道エネルギーおよび角運動量を効果的に散逸させ、質量の大きな連星系において急速な軌道縮小、さらには合体に至る可能性があることを示唆している。