[论文解读] Magnetospheric interaction in white dwarf binaries AR Sco and AE Aqr

Maxim Lyutikov, Maxim V. Barkov+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 8

一句话总结

本文提出，AR Sco和AE Aqr处于一种瞬态螺旋桨阶段，其中弱磁化的白矮星（B ~ 10⁶ G）通过其红矮星伴星电离风的质量加载而被减速自转。非热X射线和光学辐射源于白矮星磁层中的磁重联事件，而射电辐射则源自红矮星的磁层，类似于木星-伊奥相互作用。关键结果是，该模型在无需吸积或强磁场的前提下，自洽地解释了自转减速、多波段调制以及非热辐射。

ABSTRACT

We develop a model of the white dwarf (WD) - red dwarf (RD) binaries AR Sco and AE Aqr as systems in a transient propeller stage of highly asynchronous intermediate polars. The WDs are relatively weakly magnetized with magnetic field of $\sim 10^6$ G. We explain the salient observed features of the systems due to the magnetospheric interaction of two stars. Currently, the WD's spin-down is determined by the mass loading of the WD's magnetosphere from the RD's at a mild rate of $\dot{M}_{WD} \sim 10^{-11} M_\odot $/yr. Typical loading distance is determined by the ionization of the RD's wind by the WD's UV flux. The WD was previously spun up by a period of high accretion rate from the RD via Roch lobe overflow with $\dot{M} \sim 10^{-9} M_\odot $/yr, acting for as short a period as tens of thousands of years. The non-thermal X-ray and optical synchrotron emitting particles originate in reconnection events in the magnetosphere of the WD due to the interaction with the flow from the RD. In the case of AR Sco, the reconnection events produce signals at the WD's rotation and beat periods - this modulation is due to the changing relative orientation of the companions' magnetic moments and resulting variable reconnection conditions. Radio emission is produced in the magnetosphere of the RD, we hypothesize, in a way that it is physically similar to the Io-induced Jovian decametric radiation.

研究动机与目标

• 解释AR Sco和AE Aqr中极端自转减速与非热辐射的成因，这些现象违背标准激变变星模型。
• 解决观测到的自转减速光度（~10³³ erg s⁻¹）与辐射功率（~10³² erg s⁻¹）之间的差异，后者超出预期约10倍。
• 解释在白矮星自转周期和拍频周期处观测到的多波段调制（光学、X射线、射电）的起源，特别是射电波段缺乏自转周期调制的原因。
• 模拟从过去高吸积自转加速到当前低吸积螺旋桨阶段的演化过程，解释系统当前的演化状态。
• 确立白矮星与红矮星之间的磁层相互作用，而非吸积，是驱动观测到的辐射与自转减速的主因。

提出的方法

• 将白矮星-红矮星双星系统建模为瞬态螺旋桨系统，其中白矮星的磁层因快速旋转而将物质从红矮星风中排出。
• 应用阿尔文半径条件以确定磁层加载距离，假设白矮星的紫外辐射使红矮星风发生电离。
• 利用自转减速率和质量加载率（Ṁ_WD ~ 10⁻¹¹ M☉ yr⁻¹）推断当前螺旋桨状态，与观测到的自转减速光度一致。
• 引入白矮星与红矮星之间的磁层相互作用力矩（|τ| ~ 10³³ erg），估算其对轨道和自转演化的影响。
• 应用自转加速关系 Ω ∝ Ṁ³ᐟ⁷B_WD⁻⁶ᐟ⁷ 重建过去吸积历史，假设在短暂的自转加速阶段吸积率高达 ~10⁻⁹ M☉ yr⁻¹。
• 提出非热辐射（X射线、光学、射电）起源于白矮星磁层中的磁重联事件，其中射电辐射通过类比于伊奥诱发木星十米波辐射的机制，源自红矮星磁层。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观测到的自转减速光度比辐射功率高出约10倍的背景下，是什么机制解释了AR Sco和AE Aqr中白矮星的极端自转减速？
• RQ2 为何在射电、光学和X射线波段均观测到强而可变的非热辐射，却未在白矮星自转周期处检测到脉泽射电辐射？
• RQ3 如果辐射并非源于吸积或白矮星磁层的直接辐射，如何解释在白矮星自转周期和拍频周期处观测到的调制现象？
• RQ4 白矮星的紫外辐射对红矮星风的电离在实现高效磁层加载与自转减速中起到何种作用？
• RQ5 两颗恒星之间的磁层相互作用如何影响轨道演化、角动量损失以及系统的长期命运？

主要发现

• AR Sco和AE Aqr中的白矮星目前处于瞬态螺旋桨阶段，质量加载率约为10⁻¹¹ M☉ yr⁻¹，解释了其快速自转减速。
• 观测到的自转减速光度（~10³³ erg s⁻¹）与磁层物质喷射的能量损失一致，而非吸积所致，从而解决了光度差异问题。
• 非热X射线和光学辐射源于白矮星磁层内磁重联事件中的粒子加速，调制周期为白矮星自转周期和拍频周期。
• 射电辐射并非产生于白矮星磁层，而是源自红矮星磁层，高频（10 GHz）射电辐射表现出轨道调制，与类比于木星-伊奥相互作用的机制一致。
• 这些系统可能经历过一次短暂的高吸积阶段（Ṁ ~ 10⁻⁹ M☉ yr⁻¹），持续数万年，使白矮星在进入当前螺旋桨状态前被加速自转。
• 两颗恒星之间的磁层相互作用对红矮星施加了显著的力矩（~10³³ erg），影响其自转与轨道演化，对未来吸积与系统同步化具有重要意义。