[论文解读] On the Origin of Subdwarf B Stars and Related Metal-Rich Binaries

Elizabeth M. Green, James Liebert+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文提出，子矮星B型（sdB）恒星通过金属丰度较高、轨道较宽的双星系统中稳定的洛希瓣质量转移形成，包层剥离发生在红巨星分支转折点之前，且不经历共同包层演化。此外，短周期sdB双星系统源于不稳定的质量转移后发生共同包层抛射，解释了为何幸存的主序星伴星如此稀少，原因在于质量损失及在共同包层阶段发生合并。

ABSTRACT

Mounting evidence from subdwarf B (sdB) stars in the galactic field and their recently discovered counterparts in old open clusters indicates that at least two thirds of local disk sdB stars are binaries. Our recent radial velocity survey showed that sdB binaries naturally divide into two groups with contrasting spectroscopic and kinematic properties. Those with detectable spectral lines from a cooler companion invariably have periods longer than a year, while very short period sdB's have essentially invisible companions. We derive typical orbital separations for the components of the composite spectrum sdB's from their velocities. The current systems must have been produced by Roche lobe overflow/mass transfer from low mass, metal-rich giants near the first red giant branch tip, without undergoing common envelope envolution. The same process should also occur at slightly lower red giant luminosities, producing a wide binary with a helium white dwarf instead of an sdB star. Most short period sdB's probably result from a common envelope following Roche lobe overflow of the initial secondary onto the white dwarf. Rare post-common envelope sdB + main sequence (MS) binaries also exist, but available data suggest that most such systems involving lower MS companions end up merging. The small and nearly identical masses of the two known MS survivors in short period sdB binaries imply that both components must have lost a large fraction of their initial mass in the common envelope process.

研究动机与目标

• 解释场域子矮星B型（sdB）恒星及其双星伴星的起源，特别是观测到的双星比例和轨道特性。
• 解决预期存在的后共同包层sdB+主序星双星数量与实际观测中稀少性之间的矛盾。
• 理解导致复合光谱sdB双星系统和短周期sdB+主序星系统演化的路径。
• 研究金属丰度和初始质量比在决定是否发生稳定质量转移或共同包层演化中的作用。
• 澄清低质量伴星在sdB双星系统中的演化命运，特别是为何尽管经过广泛搜寻，仅发现两例短周期sdB+主序星双星系统。

提出的方法

• 利用两年内对19个复合光谱sdB双星的径向速度测量，估算轨道速度差异，推断轨道周期和分离距离。
• 基于当前系统参数，假设角动量守恒（a(M₁ + M₂) = 常数），估算演化前的轨道分离距离。
• 使用Eggleton（1983）的公式计算洛希瓣半径，与红巨星分支转折点处的巨星半径进行比较。
• 模拟金属丰度较高、低质量巨星在不经历共同包层演化的情况下发生质量转移的演化序列。
• 评估共同包层抛射发生的条件，特别是当在深层对流包层发展后质量转移变得不稳定时。
• 利用观测到的sdB恒星质量估计值（约0.5 M☉）和伴星质量（1.0–1.3 M☉）约束初始质量比和演化路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何至少三分之二的本地盘面sdB恒星存在于双星系统中？长周期复合光谱双星与短周期后共同包层系统之间的区别由什么决定？
• RQ2 何种物理条件允许在金属丰度较高、低质量巨星中发生稳定的洛希瓣溢出，而不会触发共同包层演化？
• RQ3 为何后共同包层sdB+主序星双星如此稀少，即使初始质量函数应更倾向于其形成？
• RQ4 什么决定了主序星伴星在共同包层事件中的幸存性？为何仅发现两例此类系统？
• RQ5 短周期sdB+主序星双星中幸存伴星的质量如何与共同包层阶段的质量损失历史相关？

主要发现

• 复合光谱sdB双星的轨道周期平均为3–4年，分离距离为540–650 R☉，表明其演化过程中未经历共同包层抛射。
• 前身巨星的洛希瓣半径为155–185 R☉，与它们在第一红巨星分支转折点处的半径相当或略小，表明洛希瓣溢出发生在转折点之前。
• 在初始次星质量为1.0–1.3 M☉的金属丰度较高、轨道较宽的双星系统中，若质量比接近稳定临界值，可实现不经历共同包层演化的稳定质量转移。
• 相当一部分sdB+白矮星双星可能与复合光谱sdB双星来自同一条演化路径，但巨星光度略低，导致形成氦白矮星而非sdB恒星。
• 尽管经过广泛搜寻，仅发现两例后共同包层sdB+主序星双星，其稀少性表明，大多数此类伴星在共同包层阶段发生合并。
• 已知的两例食双星sdB+主序星双星的伴星质量约为0.14 M☉，表明其代表一个狭窄的质量范围：质量足够大以在共同包层中幸存，但又足够小以避免合并，暗示其在事件中损失了大部分初始质量。