[论文解读] Population synthesis for double white dwarfs I.Close detached systems

G. Nelemans, L. R. Yungelson+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 56被引用 205

一句话总结

本文提出了一种针对银河系中近距离分离双白矮星的改进型群体合成模型，通过引入角动量守恒的公共包层演化和更新的白矮星冷却模型，提升了理论模型与观测结果的一致性。关键结果是预测双碳白矮星总质量超过钱德拉塞卡极限的银河系并合速率为每年0.003对，与观测到的Ia型超新星速率一致；在本地样本中，共发现855颗白矮星，其中220对为近距离双星系统，包括10对双碳白矮星，其中1对将在一个哈勃时期内并合。

ABSTRACT

We model the population of double white dwarfs in the Galaxy and find a better agreement with observations compared to earlier studies, due to two modifications. The first is the treatment of the first phase of unstable mass transfer and the second the modelling of the cooling of the white dwarfs. A satisfactory agreement with observations of the local sample of white dwarfs is achieved if we assume that the initial binary fraction is ~ 50% and that the lowest mass white dwarfs (M < 0.3 Msun) cool faster than the most recently published cooling models predict. With this model we find a Galactic birth rate of close double white dwarfs of 0.05 yr^{-1}, a birth rate of AM CVn systems of 0.005 yr^{-1}, a merger rate of pairs with a combined mass exceeding the Chandrasekhar limit (which may be progenitors of SNe Ia) of 0.003 yr^{-1} and a formation rate of planetary nebulae of 1 yr^{-1}. We estimate the total number of double white dwarfs in the Galaxy as 2.5 10^8. In an observable sample with a limiting magnitude V_lim = 15 we predict the presence of ~855 white dwarfs of which ~220 are close pairs. Of these 10 are double CO white dwarfs of which one has a combined mass exceeding the Chandrasekhar limit and will merge within a Hubble time.

研究动机与目标

• 通过改进双星演化和冷却物理模型，提升理论模型与近距离双白矮星观测特性之间的一致性。
• 解决观测与预测中低质量白矮星（M < 0.3 M☉）数量不足的问题，即在巡天中该类天体的代表性偏低。
• 检验模型在双白矮星轨道周期和质量比分布方面的预测是否与观测结果一致。
• 估算本地近距离双白矮星的数密度，以及行星状星云、Ia型超新星前体和AM CVn系统的形成速率。
• 利用观测约束条件，对低质量白矮星的初始双星分数和冷却速率进行限制。

提出的方法

• 在公共包层阶段，采用角动量守恒而非能量平衡来建模不稳定的质量转移，使用参数γ来表征角动量损失。
• 引入详细的白矮星冷却模型，特别是对低质量白矮星（M < 0.3 M☉）的冷却过程，其冷却速度比先前模型（DSBH98）更快。
• 基于Portegies Zwart & Verbunt（1996）和Portegies Zwart & Yungelson（1998）的群体合成代码，更新了核心质量追踪和双星演化方案。
• 采用与银河系盘和晕成分一致的恒星形成历史，以计算当前双白矮星的群体分布。
• 使用Moran等人（2000）的方法校正模型预测中的观测选择效应，以便与观测到的质量比分布进行比较。
• 计算可观测量，如V < 15星等限制样本中的白矮星数量，以及高质质量双白矮星系统的预期并合速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何低质量白矮星（M < 0.3 M☉）在观测样本中代表性不足？这一现象是否可通过其冷却速度超过现有模型预测来解释？
• RQ2 在公共包层演化中，采用角动量守恒而非能量平衡的处理方式，如何影响双白矮星的预测轨道周期和质量比分布？
• RQ3 为重现太阳邻近区所有白矮星中近距离双白矮星系统的观测比例，所需初始双星分数是多少？
• RQ4 总质量超过钱德拉塞卡极限的双碳白矮星的预测并合速率是多少？与观测到的Ia型超新星速率相比如何？
• RQ5 模型预测在V < 15星等限制样本中的白矮星数量与实际观测到的约855颗白矮星的匹配程度如何？

主要发现

• 通过假设低质量白矮星（M < 0.3 M☉）的冷却速度超过Driebe等人（1998）模型的预测，模型成功实现了与观测的一致性，解决了其观测数量不足的矛盾。
• 在考虑选择效应校正后，模型预测的双白矮星质量比分布峰值出现在q ≈ 1，与观测结果一致；而早期模型的峰值位于q ≈ 0.7或q > 1.5，与观测不符。
• 近距离双白矮星的银河系形成速率为每年0.05对，AM CVn系统的形成速率为每年0.005对，总质量超过钱德拉塞卡极限的双碳白矮星并合速率为每年0.003对。
• 在V < 15的星等限制样本中，模型预测共有855颗白矮星，其中220对为近距离双星系统，包括10对双碳白矮星，其中1对将在一个哈勃时期内并合。
• 银河系中双白矮星的总数估计为2.5 × 10⁸对，模型预测的行星状星云形成速率为每年1对，与观测结果一致。
• 模型与观测到的Ia型超新星速率的一致性，支持了总质量超过钱德拉塞卡极限的双碳白矮星并合是Ia型超新星可行前身体的假设。