[论文解读] Reconstructing the evolution of double helium white dwarfs: envelope loss without spiral-in

G. Nelemans, F. Verbunt+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 41

一句话总结

该论文通过建模无螺旋内缩的物质转移阶段，重建了三个双氦白矮星的演化过程，提出包层抛射时的角动量为初始双星系统角动量的1.4至1.7倍。关键结果表明，标准螺旋内缩或稳定物质转移模型无法解释观测到的轨道参数，而通过参数γ≈1.5的增强角动量输运实现的包层损失则能重现数据，暗示首次物质转移阶段的轨道收缩极小。

ABSTRACT

The unique core-mass - radius relation for giants with degenerate helium cores enables us to reconstruct the evolution of three observed double helium white dwarfs with known masses of both components. The last mass transfer phase in their evolution must have been a spiral-in. In the formalism proposed by Webbink (1984), we can constrain the efficiency of the deposition of orbital energy into the envelope to be $1 \la α\la 6$, for an envelope structure parameter $λ=0.5$. We find that the two standard mass transfer types (stable mass transfer and spiral-in) are both unable to explain the first phase of mass transfer for these three binaries. We use a parametric approach to describe mass transfer in low-mass binaries, where both stars are of comparable mass and find that the orbital characteristics of the observed double helium white dwarfs can be well reproduced if the envelope of the primary is lost with ~1.5 times the specific angular momentum of the initial binary. In this case no substantial spiral-in occurs.

研究动机与目标

• 解释标准物质转移模型无法重现的三个双氦白矮星的观测轨道参数和质量。
• 研究在低质量、相似质量双星中，首次物质转移阶段为何不会导致显著的轨道收缩或螺旋内缩。
• 确定是否可通过增强角动量损失的包层抛射来重现观测系统，而无需引入螺旋内缩动力学。
• 约束最终螺旋内缩阶段的轨道能量沉积效率（α）和包层结构参数（λ）。
• 提出一种新的物理机制——首次物质转移阶段中，包层以1.4至1.7倍初始双星角动量被抛射——用于双氦白矮星系统。

提出的方法

• 利用具有简并氦核心的巨星的独有核心质量-半径关系，重建观测到的双氦白矮星的前身状态。
• 应用Webbink（1984）的理论框架来建模最终螺旋内缩阶段，并通过λ=0.5约束能量沉积效率α。
• 引入参数化角动量损失模型，使用γ = (ΔJ/ΔM_tot) × (M_tot/J) 描述具有增强特定角动量的包层抛射。
• 分析已知质量和轨道周期的观测系统，推断实现一致演化的所需γ值。
• 比较各系统中推断出的γ值，评估一致性，并检验螺旋内缩在首次物质转移阶段并非必需的假设。
• 从观测到的白矮星参数反向演化，推断初始双星条件和包层损失特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标准物质转移模型（稳定转移与螺旋内缩）无法重现观测到的双氦白矮星的轨道参数？
• RQ2 何种机制可在首次物质转移阶段避免显著轨道收缩的情况下，解释双氦白矮星的观测质量与轨道周期？
• RQ3 为重现观测系统，抛射包层所需的特定角动量是多少？其与初始双星角动量相比如何？
• RQ4 能否在能量沉积效率α和包层结构参数λ的框架下约束最终螺旋内缩阶段？
• RQ5 双氦白矮星中观测到的质量比分布是否与首次物质转移阶段涉及极小螺旋内缩和增强角动量损失的场景一致？

主要发现

• 三个观测到的双氦白矮星的最终物质转移阶段必须为螺旋内缩，当λ=0.5时，能量沉积效率α被约束在1 ≤ α ≤ 6之间。
• 所有已知双氦白矮星的观测轨道参数在主星包层以1.4至1.7倍初始双星角动量被抛射时得到最佳重现，暗示螺旋内缩极小。
• 所有观测系统中αλ ≈ 2保持一致，表明最终螺旋内缩阶段能量沉积效率具有普适性。
• 若WD 0957-666当前的白矮星为混合型白矮星，则其形成过程可能满足αλ ≈ 2，表明其前身星为非简并氦星。
• 在低质量、相似质量双星中，首次物质转移阶段可能涉及包层抛射而无显著轨道收缩，因为包层与恒星共转，拖曳力无效。
• 观测系统要求初始轨道周期较宽（25至>500天）才能产生当前的白矮星质量，这与标准模型矛盾，除非当前质量估计显著低于实际值。