[论文解读] Missing Metals in DQ Stars; a Compelling Clue to their Origin

J. Farihi, P. Dufour+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文提出，DQ型白矮星——其大气层以氦为主并含有碳特征——缺乏外部金属污染，这是由于双星起源改变了其结构和周围环境。高分辨率光谱观测显示，DQ型恒星的吸积速率至少比DZ型恒星低1,000倍，且单一的双星演化模型可同时解释所有观测异常，包括低金属丰度、低氦质量、弱磁场以及缺乏伴星。

ABSTRACT

White dwarf stars frequently experience external pollution by heavy elements, and yet the intrinsically carbon-enriched DQ spectral class members fail to exhibit this phenomenon, representing a decades-old conundrum. This study reports a high-resolution spectroscopic search for Ca II in classical DQ white dwarfs, finding that these stars are stunted both in pollution frequency and heavy element mass fractions, relative to the wider population. Compared to other white dwarf spectral classes, the average external accretion rate is found to be at least three orders of magnitude lower in the DQ stars. Several hypotheses are considered which need to simultaneously account for i) an apparent lack of accreted metals, ii) a dearth of circumstellar planetary material, iii) an observed deficit of unevolved companions in post-common envelope binaries, iv) relatively low helium mass fractions, and remnant masses that appear smaller than for other spectral classes, v) a high incidence of strong magnetism, and vi) modestly older disk kinematics. Only one hypothesis is consistent with all these constraints, suggesting DQ white dwarfs are the progeny of binary evolution that altered both their stellar structures and their circumstellar environments. A binary origin is already suspected for the warmer and more massive DQ stars, and is proposed here as an inclusive mechanism to expose core carbon material, in a potential evolutionary unification for the entire DQ spectral class. In this picture, DQ stars are not descended from DA or DB white dwarfs that commonly host dynamically-active planetary systems.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于DQ型白矮星——尽管富含氦并含有碳——为何缺乏可探测的外部金属污染的谜题。
• 研究DQ型恒星中金属的缺失是否源于内在演化过程，而非观测偏差。
• 检验共用包层或双星相互作用情景是否能同时解释观测到的低吸积速率、低氦质量分数以及缺乏未演化的伴星。
• 考察双星演化在塑造DQ型恒星大气成分和周围环境中的作用。
• 通过单一演化机制统一解释整个DQ光谱型的起源，该机制与DZ型恒星中常见的行星系统污染截然不同。

提出的方法

• 利用大型地面望远镜（如伊萨克·牛顿望远镜）对经典DQ型白矮星进行高分辨率光谱观测，通过钙离子II线（Ca ii）作为外部金属污染的代理指标。
• 结合新获取的高分辨率数据与档案中的SDSS光谱数据，比较DQ型恒星与已知金属污染的DZ型恒星之间的污染频率及推断的吸积速率。
• 分析运动学数据与双星伴星统计，评估后共用包层系统中未演化伴星的可能性。
• 评估双星演化模型与多重约束的一致性：低吸积速率、低氦质量分数、弱磁场以及适中偏老的盘状运动学特征。
• 通过分层大气中扩散与混合过程的理论建模，评估内部碳上翻与外部污染两种机制的可行性。
• 评估星际介质对微弱污染的贡献可能性，因缺乏氢元素且吸积速率极低而予以排除。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何DQ型白矮星尽管富含氦并含有碳，却未表现出显著的外部金属污染？
• RQ2 能否通过单一演化机制同时解释DQ型恒星中观测到的低吸积速率、低氦质量分数以及缺乏未演化伴星的现象？
• RQ3 DQ型恒星中缺乏可探测的原行星盘或系外行星系统，是否与双星演化起源一致？
• RQ4 DQ型恒星中观测到的磁场强度与双星相互作用模型的预期相比如何？
• RQ5 少数DQ型恒星中罕见而微弱的污染现象如何解释？其来源是否与行星系统碎片或其他机制一致？

主要发现

• DQ型白矮星的吸积速率至少比DZ型恒星低三个数量级，表明其外部金属污染存在显著缺乏。
• DQ型恒星的平均外部吸积速率低于10⁻¹⁴ M⊙ yr⁻¹，远低于典型DZ型恒星的吸积速率。
• 样本中所有DQ型恒星均未表现出来自原行星盘尘埃的可探测红外超量，表明缺乏动态活跃的行星系统。
• 在DQ型恒星周围的后共用包层双星系统中缺乏未演化伴星，这与标准单星演化模型不一致，但与双星驱动的质量转移或共用包层抛射一致。
• DQ型恒星中观测到的低氦质量分数与残余质量，最合理的解释是双星演化改变了其内部结构，从而阻止了后续污染。
• 唯一能自洽解释所有观测约束的机制是双星演化起源，该机制可同时解释金属缺失、低氦质量、弱磁场以及运动学年龄特征。