[论文解读] Mass ratios of long-period binary stars resolved in precision astrometry catalogs of two epochs

В. В. Макаров|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 20被引用 1

一句话总结

本文提出一种新颖方法，仅利用Hipparcos和Gaia等任务的双历元天体测量数据，直接估算长周期、光学分离双星的质量比。通过利用质心的惯性运动以及不同历元间的位置与自行差异，该方法无需恒星模型或径向速度数据即可计算质量比，对HIP 473 AB系统的精度达到q = 0.996+0.026−0.026，证明其可适用于数千个双星系统。

ABSTRACT

Mass ratios of widely separated, long-period, resolved binary stars can be directly estimated from the available data in major space astrometry catalogs, such as the ESA's Hipparcos and Gaia mission results. The method is based on the universal principle of inertial motion of the system's center of mass in the absence of external forces, and is independent of any assumptions about the physical parameters or stellar models. The application is limited by the precision of input astrometric data, the orbital period and distance to the system, and possible presence of other attractors in the vicinity, such as in triple systems. A generalization of this technique to triples is proposed, as well as approaches to estimation of uncertainties. The known long-period binary HIP 473 AB is discussed as an application example, for which a $m_2/m_1=0.996^{+0.026}_{-0.026}$ is obtained.

研究动机与目标

• 开发一种模型无关的方法，仅利用双历元天体测量数据估算长周期双星的质量比。
• 消除对光谱径向速度测量或恒星演化模型的依赖。
• 实现对轨道周期超过100年的宽距双星的质量比估算，此类系统传统方法失效。
• 采用蒙特卡洛技术与方差-协方差矩阵，提供稳健且可量化不确定性的方法。
• 将方法推广至多星系统，通过自行扰动识别隐藏双星。

提出的方法

• 利用质心的惯性运动：m₁ρ₁j + m₂ρ₂j = 0，其中ρij为第j个历元时各星相对于质心的角距离。
• 应用两个历元（如Hipparcos与Gaia EDR3）的位置和自行差异，消除未知质心运动的影响。
• 通过分量相对运动导出的条件方程求解质量比q = m₂/m₁。
• 采用蒙特卡洛技术估算不确定度，整合输入天体测量数据的完整方差-协方差矩阵。
• 通过雅可比坐标与加权最小二乘平差，将方法推广至三合星系统，实现质量比估算。
• 使用信噪比（SNR）与失配角η作为诊断工具，检测未resolved伴星引起的扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅利用双历元天体测量数据，无需径向速度或恒星模型假设，估算长周期光学分离双星的质量比？
• RQ2 质量比估算的精度如何依赖于天体测量历元之间的基线长度与系统距离？
• RQ3 天体测量参考框架中的系统误差（如Gaia EDR3）在多大程度上会引入质量比估算偏差？
• RQ4 该方法能否通过识别异常自行扰动，检测隐藏的多层次三合星系统？
• RQ5 未resolved的双星伴星对已分辨双星中质量比估算的可靠性有何影响？

主要发现

• 该方法可仅基于天体测量数据直接计算质量比，无需径向速度或恒星模型。
• 对于邻近系统HIP 473 AB，质量比估算为q = 0.996+0.026−0.026，表明具有高精度。
• HIP 473 AB案例中不确定度的主要来源是Hipparcos位置的正式误差，限制了当前方法在更远距离系统中的适用性。
• 若未校正，Gaia EDR3参考框架中的系统误差（如0.1 mas yr⁻¹的旋转）可能对邻近长周期双星引入显著偏差。
• 该方法可通过失配角η与SNR识别潜在的隐藏三合星系统，未resolved的内层双星会扭曲质量比估算结果，尤其当主星为紧密双星时更为显著。
• 未来任务如Gaia-NIR可借助25–30年的基线天体测量，将该方法扩展至数百万颗更暗、更遥远的双星。