[论文解读] A stringent upper limit on Be star fractions produced by binary interaction

Ben Hastings, N. Langer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 124被引用 70

一句话总结

本研究通过模型无关的方法，确立了通过双星相互作用形成Be星的上限为33%，表明即使在极端假设下（如初始双星分数接近1且质量转移非保守），双星演化本身也无法解释年轻星团中观测到的Be星比例。该上限在星团主序转折附近与观测值非常接近，通过假设低质量比系统中不稳定的质量转移导致合并，可良好拟合低质量区域Be星比例的下降趋势。

ABSTRACT

Context. Binary evolution can result in fast-rotating stars, predicted to be observable as Be stars, through accretion of angular momentum during mass-transfer phases. Despite numerous observational evidence pointing to this possibly being the dominant Be formation channel, current models struggle to produce a satisfactory description of Be star populations. Aims. Given distinct uncertainties in detailed binary evolution calculations, we investigate a rigorous and model independent upper limit for the production of Be stars through binary interaction and aim to confront this limit with observations of Be stars in young star clusters. Methods. Using extreme assumptions, we calculate the number ratio of post-interaction to pre-interaction binary systems in a coeval population, which describes an upper limit to Be star formation through mass-transfer. A detailed comparison is made between our derived upper limit and relevant observations of Be stars, which allows us to probe several aspects of binary star physics. Results. We find that in coeval populations, binary interaction can at most account for one third of all main-sequence stars being Be stars. Near the cluster turn-off region, this limit appears to be realised in the clusters studied. Away from the turn-off, applying simple assumptions about which systems undergo unstable mass-transfer produces a good fit to the observed Be fraction as a function of mass. Conclusions. We find that assuming distinct physics, binary evolution alone can in principle match the high numbers of Be stars observed in open clusters. Whether the required binary physics is realised in nature remains to be investigated.

研究动机与目标

• 确定一个严格、模型无关的Be星通过双星作用形成的比例上限，且独立于不确定的双星演化参数。
• 检验双星作用是否足以解释年轻开放星团中观测到的高Be星比例，尤其在先前模型预测存在矛盾的背景下。
• 探讨该上限对双星物理的启示，如质量转移效率、稳定性，以及后相互作用系统（表现为单星）的作用。
• 通过引入关于不稳定质量转移和合并的简单假设，将NGC 330和NGC 2164等星团中的观测Be星比例与理论极限相协调。
• 澄清可观测的前相互作用双星分数与真实初始双星分数之间的区别，后者因后相互作用系统表现为单星而被掩盖。

提出的方法

• 通过假设所有双星系统均经历稳定质量转移并产生Be星（无论主星质量、质量比或轨道周期如何），推导Be星比例的理论上限。
• 使用同年龄星族模型计算后相互作用与前相互作用双星系统的比例，从而确定可能的最大Be星比例。
• 采用蒙特卡洛模拟，使用平坦的质量比分布（κ = 0）、幂律初始质量函数（ξ(M₁) ∝ M⁻¹.⁹）和非保守质量转移（∆M/M₂,ᵢ = 0），模拟不同恒星质量下的Be星比例。
• 将模拟得到的Be星比例与NGC 330和NGC 2164的色-星等图中Hα发射星的观测数据进行比较，利用等年龄线拟合分配质量。
• 引入低质量比系统中不稳定质量转移（合并）的物理判据，以改善在低质量区域与观测Be星比例的拟合。
• 使用公式(30)定义理论上限，其依赖于初始质量函数斜率（α = −1.9）、质量转移效率和质量比分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过双星作用形成Be星的最大可能比例是多少，且独立于特定双星演化模型？
• RQ2 年轻开放星团中观测到的Be星比例能否仅由双星质量转移解释，还是需要额外的形成渠道？
• RQ3 为何在主序转折质量70–80%以下的区域，观测到的Be星比例急剧下降？这一现象能否由如合并或不稳定质量转移等物理过程解释？
• RQ4 考虑到后相互作用系统表现为单星，可观测的前相互作用双星分数与真实初始双星分数相比如何？
• RQ5 为与星团中观测到的高Be星比例相匹配，质量转移需在多大程度上非保守且不稳定？

主要发现

• 通过双星作用形成的Be星最大可能比例在同年龄星族中被限制在约33%，该结果基于模型无关的上限推导。
• 理论上限在星团主序转折附近与观测到的Be星比例非常接近，尤其在考虑计数不确定性后更为显著。
• 仅靠理论上限无法解释主序转折质量70–80%以下区域Be星比例的下降，表明需要额外的物理过程。
• 若假设低质量比和低主星质量系统经历不稳定质量转移并发生合并，则能良好拟合观测到的Be星比例随质量的变化。
• 为解释观测到的Be星数量，初始双星分数必须极高——接近1.0——表明后相互作用系统显著降低了可观测的双星分数。
• 结果支持Be星仅来源于双星相互作用的假设，但前提是自然界中必须实现极端条件，如非保守质量转移和接近1的初始双星分数。