[论文解读] A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1. IV. Wd1-5 - binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45?

J. S. Clark, B. W. Ritchie+3 more|Open Research Online (The Open University)|May 13, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 103被引用 35

一句话总结

本研究将西富兰德1号星团中的Wd1-5识别为一颗大质量、演化的恒星，其化学异常（碳富集、氮/碳比、氧耗竭）与单星演化模型不一致，表明其为经历过共包层演化双星系统的幸存者。作者提出Wd1-5是磁星CXOU J1647-45的超新星爆发前伴星，双星相互作用保存了核心角动量，从而在质量转移过程中通过自转加速和磁场增强促成磁星形成。

ABSTRACT

The first soft gamma-ray repeater was discovered over three decades ago, and subsequently identified as a magnetar. However there is currently no consenus on the formation channel(s) of these objects. The presence of a magnetar in the starburst cluster Westerlund 1 implies a >40Msun progenitor, favouring formation in a binary that was disrupted at supernova. To test this hypothesis we searched for the putative pre-SN companion via a radial velocity survey to identify high-velocity runaways, with subsequent atmospheric analysis of the resultant candidate, Wd1-5. Wd1-5 appears overluminous for its spectroscopic mass and we find evidence of He- and N-enrichment, O-depletion, and critically C-enrichment, a combination of properties that is difficult to explain for a single star. We infer a pre-SN history for Wd1-5 which supposes an initial close binary comprising two stars of comparable (~41Msun+35Msun) masses. Efficient mass transfer from the initially more massive component leads to the mass-gainer evolving more rapidly, initiating luminous blue variable/common envelope evolution. Reverse, wind-driven mass transfer during its subsequent WC Wolf-Rayet phase leads to the carbon pollution of Wd1-5, before a type Ibc supernova disrupts the binary system. Under the assumption of a physical association between Wd1-5 and J1647-45, the secondary is identified as the magnetar progenitor; its common envelope evolutionary phase prevents spin-down of its core prior to SN and the seed magnetic field for the magnetar forms either in this phase or during the earlier episode of mass transfer in which it was spun-up. Our results suggest that binarity is a key ingredient in the formation of at least a subset of magnetars by preventing spin-down via core-coupling and potentially generating a seed magnetic field.

研究动机与目标

• 通过在大质量星团西富兰德1号中搜寻磁星CXOU J1647-45的超新星爆发前伴星，检验磁星通过双星相互作用形成的假设。
• 确定Wd1-5中观测到的化学异常（如碳富集）是否能由单星演化解释，或是否需要涉及质量转移和共包层阶段的双星历史。
• 通过分析Wd1-5的光谱和测光特性，约束磁星的前身星质量及其演化路径。
• 评估双星相互作用在防止核心自转衰减及促进中子星产生超强度磁场中的作用。

提出的方法

• 利用VLT/FLAMES进行径向速度调查，识别西富兰德1号中的高速逃逸星。
• 对Wd1-5进行非局部热动平衡（non-LTE）模型大气分析，推导其基本参数（Teff, log g, [Fe/H], 质量, 光度）及元素丰度。
• 将Wd1-5的光谱特性与西富兰德1号中已知的大质量双星（如Wd1-13, Wd1-44）进行比较，推断其演化相似性。
• 模拟Wd1-5的双星演化历史，包括初始质量函数、质量转移阶段及共包层演化过程。
• 利用观测到的碳富集和氮/氧异常，推断WC型沃尔夫-拉叶星阶段发生过质量反向转移。
• 基于空间重合性与星团同年龄特征，评估Wd1-5与CXOU J1647-45的物理关联性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Wd1-5中的化学异常（碳富集、N/C比、氧耗竭）能否由单星演化解释，还是必须依赖双星相互作用历史？
• RQ2 Wd1-5是否与磁星CXOU J1647-45存在物理关联，其运动学与化学特征是否支持其作为超新星爆发前伴星的角色？
• RQ3 何种双星演化序列（如质量转移、共包层阶段、反向风驱动转移）最能解释Wd1-5的观测特性？
• RQ4 双星相互作用如何防止核心自转衰减，并可能在磁星形成过程中生成初始强磁场？
• RQ5 在Ib/c型超新星中形成磁星是否与Wd1-5的观测特性及星团环境一致？

主要发现

• Wd1-5表现出约41 M☉的光谱质量，且其光度显著高于同质量恒星，表明其为后主序阶段的后共包层双星系统成员。
• 该恒星表现出强烈的碳富集（log ɛ(C) ≈ 8.0）、氮富集及氧耗竭，这与标准单星演化模型不符，但与WC型沃尔夫-拉叶星阶段的质量反向转移一致。
• Wd1-5的演化历史最合理的解释是初始双星系统，其两颗恒星质量分别为约41 M☉和35 M☉，其中初始质量较大的恒星发生质量转移并经历共包层演化。
• 次星（Wd1-5）在主星经历沃尔夫-拉叶阶段时被富含碳的物质污染，解释了其异常的表面化学成分。
• 通过Ib/c型超新星导致的双星系统破坏，与CXOU J1647-45在空间和运动学上的关联性一致。
• 作者结论认为，双星性质对磁星形成至关重要，因其可保存核心角动量，并可能在质量转移或共包层阶段生成初始强磁场。