[论文解读] Binaries are the best single stars

S. E. de Mink, N. Langer+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

该论文认为，包含两颗主序星的分离双星系统是检验单星演化模型的最佳观测平台，因为它们是唯一自形成以来可明确排除质量转移的系统，而质量转移在大质量恒星中十分常见。这些双星系统可直接测量恒星的基本参数，从而对单星模型进行严格校准，尽管大质量恒星中双星比例很高。

ABSTRACT

Stellar models of massive single stars are still plagued by major uncertainties. Testing and calibrating against observations is essential for their reliability. For this purpose one preferably uses observed stars that have never experienced strong binary interaction, i.e. "true single stars". However, the binary fraction among massive stars is high and identifying "true single stars" is not straight forward. Binary interaction affects systems in such a way that the initially less massive star becomes, or appears to be, single. For example, mass transfer results in a widening of the orbit and a decrease of the luminosity of the donor star, which makes it very hard to detect. After a merger or disruption of the system by the supernova explosion, no companion will be present. The only unambiguous identification of "true single stars" is possible in detached binaries, which contain two main-sequence stars. For these systems we can exclude the occurrence of mass transfer since their birth. A further advantage is that binaries can often provide us with direct measurements of the fundamental stellar parameters. Therefore, we argue these binaries are worth the effort needed to observe and analyze them. They may provide the most stringent test cases for single stellar models.

研究动机与目标

• 为解决大质量单星演化模型校准的挑战，这些模型仍因对混合和质量损失过程约束不足而存在不确定性。
• 在大质量恒星中双星比例极高的背景下，识别出‘真正单星’——即从未经历过强烈双星相互作用的恒星。
• 证明包含两颗主序星的分离双星是唯一能从形成以来明确排除质量转移的无歧义系统。
• 倡导将此类双星作为单星模型的理想测试案例，因其具备直接测量能力。
• 反驳一种误解，即无伴星的单星天然就是‘真正单星’，因为许多此类恒星实际上是经历相互作用后的残余物。

提出的方法

• 使用快速双星演化代码，采用更新的洛希瓣溢出、质量与角动量转移以及旋转效应处理方法。
• 通过STARS和BEC的详细双星演化模型校准代码，以确保在模拟质量转移和轨道演化方面的准确性。
• 分析初始质量分别为20和15倍太阳质量的大质量双星演化序列，通过改变初始轨道周期以探索不同的相互作用区域。
• 根据洛希瓣溢出和质量转移历史，将系统分类为未相互作用、半分离和相互作用后阶段。
• 聚焦于分离主序双星，因为它们是唯一能从诞生起就明确排除质量转移的系统。
• 利用此类双星直接测量的质量、半径和光度数据，来检验单星模型的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用包含两颗主序星的分离双星系统来识别从未经历强烈双星相互作用的恒星？
• RQ2 为何许多观测到的单星尽管经历过显著的双星相互作用，却仍表现为单星？
• RQ3 双星相互作用——尤其是质量转移——如何影响伴星的可探测性和可观测性？
• RQ4 在伴星被剥离或系统被破坏后，后相互作用系统的观测特征是什么？
• RQ5 为何排除已检测到的双星用于单星模型测试是低效的？何种替代方法可实现更清晰的校准？

主要发现

• 包含两颗主序星的分离双星是唯一能从形成以来明确排除质量转移的系统，因此是检验单星演化模型的理想选择。
• 经历双星相互作用的恒星常表现为单星，因为质量转移会降低供体星的亮度并扩大轨道，使探测变得困难。
• 后相互作用系统，如具有氦核心星或中子星伴星的系统，在超新星爆发或质量喷射后常表现为单星，导致错误地被归类为单星。
• 具有剥离氦星的后相互作用阶段可持续长达主序星寿命的十分之一甚至更久，但至今尚未发现此类大质量系统，可能由于观测上的挑战。
• 存在质量转移的半分离系统可通过食变和径向速度变化被探测到，但由于持续的相互作用，不适合用于检验单星物理。
• 在分离双星中对基本参数（如质量、半径和光度）的直接测量，为单星演化模型提供了最严格的检验。