[论文解读] Mass-radius relations for white dwarf stars of different internal compositions

J. A. Panei, L. G. Althaus+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 28

一句话总结

本文使用完全更新的恒星演化代码，为具有氦、碳、氧、硅和铁核心的白矮星提供了详细的有限温度质量-半径关系。研究发现，只有在考虑非零温度和扩散效应时，像天狼星B和EG 50这样的观测白矮星才能与铁核心模型一致，这挑战了标准演化理论，并暗示可能存在超越经典路径的超致密、富铁白矮星形成机制。

ABSTRACT

The purpose of this work is to present accurate and detailed mass-radius relations for white dwarf (WD) models with helium, carbon, oxygen, silicon and iron cores, by using a fully updated stellar evolutionary code. We considered masses from 0.15 to 0.5 Mo for the case of helium core, from 0.45 to 1.2 Mo for carbon, oxygen and silicon cores and from 0.45 to 1.0 Mo for the case of an iron core. In view of recent measurements made by Hipparcos that strongly suggest the existence of WDs with an iron-dominated core, we focus our attention mainly on the finite-temperature, mass-radius relations for WD models with iron interiors. Furthermore, we explore the effects of gravitational, chemical and thermal diffusion on low-mass helium WD models with hydrogen and helium envelopes.

研究动机与目标

• 计算具有不同内部成分（特别是富铁核心）的白矮星的精确质量-半径关系，以检验关于此类天体的观测主张。
• 研究是否可观测到的半径异常偏小的白矮星（如天狼 Sirius B 和 EG 50）可由铁核心内部结构而非标准碳-氧组成来解释。
• 考察引力沉降、化学和热扩散对具有氢/氦包层的低质量氦白矮星的影响。
• 为未来与高精度观测数据的比较，提供一套全面且物理解释一致的模型。

提出的方法

• 使用了包含有限温度效应、电子简并压以及非理想方程态（包括库仑和托马斯-费米修正）的完整恒星演化代码。
• 代码中包含了氢、氦和重元素的多组分扩散方程，以模拟引力沉降和成分分层。
• 计算了核心质量从 0.15 M☉ 到 1.2 M☉ 的序列，氢和氦包层质量变化范围为 MH/M* = 0 到 10⁻⁵ 至 3×10⁻⁴。
• 模型从预白矮星阶段演化至白矮星冷却阶段，追踪其热结构和成分结构。
• 生成了具有铁、碳、氧、硅和氦核心的白矮星的质量-半径关系，包括有无氢包层的情况。
• 将结果与依巴谷卫星的视差和Provencal等人（1998年）的表面有效温度数据进行比较，以评估与观测白矮星的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 天狼 Sirius B 和 EG 50 的观测质量和半径能否由标准碳-氧白矮星模型解释，还是必须依赖铁核心组成？
• RQ2 与零温度近似相比，有限温度效应和电子简并压如何影响铁核心白矮星的质量-半径关系？
• RQ3 引力沉降和化学/热扩散在具有富氢包层的低质量氦白矮星中，对预测的质量-半径关系影响有多大？
• RQ4 某些白矮星的观测半径是否过小，无法用标准核心组成解释，从而暗示存在如铁或奇异夸克物质等超致密内部结构？
• RQ5 在没有超新星爆发或中子星形成的情况下，可能通过何种物理机制产生铁核心白矮星？

主要发现

• 天狼 Sirius B 和 EG 50 的半径显著小于标准碳-氧白矮星模型的预测值，表明其核心组成更为致密。
• 当引入有限温度效应时，天狼 Sirius B 和 GD 140 的观测参数与铁核心模型一致，尤其在它们的观测有效温度下表现良好。
• EG 50 的观测半径甚至小于铁核心模型的预测值，表明其密度可能超过任何已知白矮星成分。
• 扩散过程显著改变了低质量氦白矮星的质量-半径关系，尤其是在具有氢包层的情况下，不考虑扩散的模型与观测结果不一致。
• 40 Eri B 的观测参数与碳-氧或硅核心及薄氢包层一致，但与铁核心模型在观测温度下不一致。
• 结果表明，若观测结果正确，则低质量恒星中形成铁核心白矮星需要超越标准恒星演化的物理机制，例如 ONeMg 核的爆炸点火。