[论文解读] Post-common-envelope binaries from SDSS. XI: The white dwarf mass distributions of CVs and pre-CVs

M. Zorotovic, M. R. Schreiber+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 149被引用 143

一句话总结

本研究利用SDSS数据，比较了激变变星（CVs）与其前身系统（预激变变星，pre-CVs）中白矮星（WD）的质量分布。研究发现，CVs中白矮星的平均质量（0.83 ± 0.23 M☉）显著高于预激变变星（0.67 ± 0.21 M☉），表明CVs中高白矮星质量并非源于观测偏差，而更可能源于内在演化过程，挑战了标准CV演化模型，并暗示其对Ia型超新星前身体可能具有重要意义。

ABSTRACT

We have known for a long time that many of the measured white dwarf (WD) masses in cataclysmic variables (CVs) significantly exceed the mean mass of single WDs. This was thought to be related to observational biases, but recent high-precision measurements of WD masses in a great number of CVs are challenging this interpretation. We review the measured WD masses of CVs, determine the WD-mass distribution of an extensive sample of post-common-envelope binaries (PCEBs) that are representative for the progenitors of the current CV population (pre-CVs) and compare both distributions. We calculate the CV formation time of the PCEBs in our sample by determining the post common-envelope (CE) and the main-sequence evolution of the binary systems and define a pre-CV to be a PCEB that evolves into a semi-detached configuration with stable mass transfer within less than the age of the Galaxy. Possible observational biases affecting the WD-mass distribution for the pre-CV and the CV samples are discussed. The mean WD mass among CVs is =0.83\pm0.23 Msun, much larger than that found for pre-CVs, =0.67\pm0.21 Msun. Selection effects cannot explain the high WD masses observed in CVs and we here suggest two possible explanations, both of which imply substantial revisions to the standard model of CV evolution: either most CVs have formed above the orbital-period gap (which requires a high WD mass to initiate stable mass transfer or a previous phase of thermal-timescale mass transfer), or the mass of the WDs in CVs grows through accretion (which strongly disagrees with the predictions of classical nova models). Both options may imply that CVs contribute to the single-degenerate progenitors of Type Ia supernovae. The number of He-core WDs found in CVs (<=10%) is roughly consistent with the number of He-core WDs in pre-CVs (<=17+-8%), which indicates a low value of the CE efficiency.

研究动机与目标

• 确定在激变变星（CVs）中观测到的高白矮星质量是否源自其前身系统，或由观测偏差引起。
• 利用SDSS数据测量一个具有代表性的分离后共同包层双星（PCEBs）样本中白矮星的质量分布，这些PCEBs被认定为预激变变星。
• 比较预激变变星与激变变星的白矮星质量分布，以评估CVs中高白矮星质量是否在后共同包层阶段即已形成。
• 评估共同包层效率和新星爆发在塑造CVs中白矮星质量中的作用，并检验双星群体合成模型的预测。
• 调查预激变变星与激变变星中氦核心白矮星的比例，以推断对共同包层阶段效率的约束。

提出的方法

• 从斯隆数字巡天（SDSS）中识别出54个PCEBs样本，结合光谱与测光数据，以确定白矮星质量与轨道周期。
• 通过建模双星系统的后共同包层演化与主序演化，计算CVs的形成时间。
• 若系统在银河年龄（约13 Gyr）内演化为具有稳定质量转移的半分离双星，则定义为预激变变星。
• 利用径向速度与测光测量结果，推导白矮星质量、有效温度与表面成分。
• 在预激变变星与激变变星样本中均考虑选择效应，包括星等限制、检测偏差与光谱类型依赖性。
• 将观测到的白矮星质量分布与双星群体合成模型的预测进行比较，特别关注氦核心白矮星的比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在激变变星（CVs）中观测到的高白矮星质量是由于观测选择效应，还是源于内在演化过程？
• RQ2 与CVs中观测到的分布相比，预激变变星（即CVs的前身系统，即分离后共同包层双星）中的白矮星质量分布如何？
• RQ3 预激变变星与CVs中观测到的氦核心白矮星比例是否与标准双星演化模型的预测一致？
• RQ4 观测到的CVs中高白矮星质量与共同包层演化及新星侵蚀所预期的低质量之间的差异，能否通过修正的演化路径加以解释？
• RQ5 观测到的白矮星质量分布对CVs作为Ia型超新星潜在单简并前身体的角色有何启示？

主要发现

• CVs中白矮星的平均质量为0.83 ± 0.23 M☉，显著高于预激变变星的0.67 ± 0.21 M☉，表明高白矮星质量并非源于选择偏差。
• CVs中氦核心白矮星的观测比例≤10%，预激变变星中≤17 ± 8%，两者均显著低于模型预测，表明共同包层效率较低。
• CVs中高白矮星质量无法用观测偏差解释，因两组样本均经过仔细筛选，并已校正星等极限与光谱类型依赖性。
• 观测值与预测值之间白矮星质量的差异意味着：要么大多数CVs在轨道周期间隙之上形成（需高白矮星质量以维持稳定质量转移），要么白矮星质量通过吸积增长——这与经典新星模型相矛盾。
• 预激变变星与CVs中氦核心白矮星比例的一致性支持了低共同包层效率，并挑战了双星演化模型中的标准假设。
• 结果表明，CVs可能参与Ia型超新星的单简并前身通道，特别是当白矮星质量通过吸积而非侵蚀增长时。