[论文解读] Triage of the Gaia DR3 astrometric orbits. II. A census of white dwarfs

S. Shahaf, Na’ama Hallakoun+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究基于盖亚DR3数据，利用合成测光法从约3,200个宽间距天体测量双星中识别出可能为白矮星的暗淡伴星，以区分于分层三合星系统。研究发现超过110个系统存在显著的紫外辐射超量，表明其白矮星年龄较轻，这一发现对现有双星演化模型构成挑战，并为白矮星形成机制及质量转移过程提供了新见解。

ABSTRACT

The third data release of Gaia was the first to include orbital solutions assuming non-single stars. Here, we apply the astrometric triage technique of Shahaf et al. to identify binary star systems with companions that are not single main-sequence stars. Gaia's synthetic photometry of these binaries is used to distinguish between systems likely to have white-dwarf companions and those that may be hierarchical triples. The study uncovered a population of nearly 3200 binaries, characterised by orbital separations on the order of an astronomical unit, in which the faint astrometric companion is probably a white dwarf. This sample increases the number of orbitally solved binary systems of this type by about two orders of magnitude. Remarkably, over 110 of these systems exhibit significant ultraviolet excess flux, confirming this classification and, in some cases, indicating their relatively young cooling ages. We show that the sample is not currently represented in synthetic binary populations, and is not easily reproduced by available binary population synthesis codes. Therefore, it challenges current binary evolution models, offering a unique opportunity to gain insights into the processes governing white-dwarf formation, binary evolution, and mass transfer.

研究动机与目标

• 利用天体测量与测光诊断方法，从盖亚DR3的宽间距天体测量双星中识别白矮星伴星。
• 利用盖亚的合成测光法，将白矮星伴星与未分辨的短周期双星伴星（即分层三合星系统）区分开来。
• 表征宽间距双星中白矮星群体的特性，并评估其对双星演化及初始质量-最终质量关系的影响。
• 识别可能影响群体合成建模的样本选择效应与偏差。
• 为后续利用地面与空间望远镜开展跟进观测提供路线图，以确认并研究个别系统。

提出的方法

• 将Shahaf等人（2019）提出的天体测量筛选技术应用于盖亚DR3中的非单星系统分类。
• 利用盖亚的合成测光估计未分辨低质量伴星引起的长波段颜色超量。
• 若未检测到长波段超量，则将系统归类为可能具有热且暗淡伴星的白矮星。
• 与已知的恒星群体模型（MIST等离子线）及白矮星模型交叉匹配，以估算物理参数。
• 通过信噪比计算与光谱仪模拟（如欧洲南方天文台NTT望远镜上的SoXS）评估紫外与光学跟进观测的检测阈值。
• 利用黑体谱模型评估在不同有效温度下检测白矮星所需的曝光时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在盖亚DR3的宽间距天体测量双星中，有多少比例的系统拥有白矮星伴星而非未分辨的双星伴星？
• RQ2 白矮星候选体的观测特性与双星群体合成模型的预测相比如何？
• RQ3 样本中紫外超量具有何种意义，它揭示了白矮星的冷却年龄信息？
• RQ4 哪些观测策略最有效于确认并表征这些白矮星系统？
• RQ5 盖亚天体测量样本中的选择效应如何影响对白矮星群体特性的推断？

主要发现

• 本研究基于长波段颜色超量的缺失，识别出3,197个宽间距天体测量双星，其伴星极有可能为白矮星。
• 超过110个系统表现出显著的紫外辐射超量，表明其白矮星年龄较轻，有效温度较高。
• 观测到的宽间距双星中白矮星群体与当前双星群体合成代码的预测结果不符，提示需对质量转移与双星演化模型进行修正。
• 样本在轨道分离度约为1 AU的区域显示出白矮星数量的显著过剩，对现有演化路径构成挑战。
• 利用SoXS等光谱仪（3.6米NTT望远镜）可在约150秒内以信噪比≥10检测短波长区域的白矮星，近红外波段约需25秒，适合排队模式观测。
• 利用哈勃望远镜的COS或WFC3进行紫外测量，可进一步约束样本中年轻白矮星的有效温度、表面重力与化学成分。