[论文解读] The evolution of helium white dwarfs: I. The companion of the millisecond pulsar PSR J1012+5307

T. Driebe, D. Sch"onberner+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 10

一句话总结

本文提出了质量为0.179至0.414 M☉的低质量氦核心白矮星的演化轨迹，模拟了其冷却过程与氢壳层燃烧。研究发现，氢闪只发生在质量介于0.21至0.3 M☉之间的白矮星中，且即使在低温下，氢壳层光度仍占主导地位，导致毫秒脉冲星PSR J1012+5307伴星的冷却年龄为6 ± 1 Gyr，与脉冲星自旋降速年龄7 Gyr一致。

ABSTRACT

We present a grid of evolutionary tracks for low-mass white dwarfs with helium cores in the mass range from 0.179 to 0.414 Msol. The lower mass limit is well-suited for comparison with white dwarf companions of millisecond pulsars. The tracks are based on a 1 Msol model sequence extending from the pre-main sequence stage up to the tip of the red-giant branch. Applying large mass loss rates at appropriate positions forced the models to move off the giant branch. The further evolution was then followed across the Hertzsprung-Russell diagram and down the cooling branch. At maximum effective temperature the envelope masses above the helium cores increase from 0.6 to 5.4 x 10^{-3} Msol for decreasing mass. We carefully checked for the occurrence of thermal instabilities of the hydrogen shell by adjusting the computational time steps accordingly. Hydrogen flashes have been found to take place only in the mass interval 0.21 < M/Msol < 0.3. The models show that hydrogen shell burning contributes significantly to the luminosity budget of white dwarfs with helium cores. For very low masses the hydrogen shell luminosity remains to be dominant even down to effective temperatures well below 10000K. Accordingly, the corresponding cooling ages are significantly larger than those gained from model calculations which neglect nuclear burning or the white dwarf progenitor evolution. Using the atmospheric parameters of the white dwarf in the PSR J1012+5307 system we determined a mass of M=0.19 +/- 0.02 Msol and a cooling age of 6 +/- 1 Gyr, in good agreement with the spin-down age, 7 Gyr, of the pulsar.

研究动机与目标

• 对质量在0.179至0.414 M☉之间的低质量氦核心白矮星进行演化建模。
• 研究氢壳层燃烧在这些白矮星的光度与冷却过程中的作用。
• 利用详细的演化模型，确定毫秒脉冲星PSR J1012+5307伴星白矮星的冷却年龄。
• 评估前身星演化与核燃烧对冷却年龄估计的影响，特别是与忽略这些效应的模型进行对比。
• 验证推导出的白矮星冷却年龄与脉冲星自旋降速年龄之间的一致性。

提出的方法

• 从1 M☉的模型序列构建演化轨迹，涵盖从预主序到红巨星分支顶端的演化阶段。
• 在适当的演化阶段施加较大的质量损失率，使模型脱离红巨星分支并进入白矮星冷却序列。
• 在赫罗图上追踪模型演化，并沿冷却序列下行，通过精细调整时间步长以检测热不稳定性。
• 监测氢壳层燃烧的光度，并通过数值稳定性检查识别氢闪发生的条件。
• 利用PSR J1012+5307白矮星伴星的大气参数，约束其质量和冷却年龄。
• 将推导出的冷却年龄与脉冲星的自旋降速年龄进行比较，以检验一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢壳层燃烧对低质量氦核心白矮星的光度与冷却过程有何影响？
• RQ2 氢闪在何种质量范围内发生在氦核心白矮星中？
• RQ3 包含前身星演化与核燃烧的模型所推导出的冷却年龄，与忽略这些效应的简化模型相比有何差异？
• RQ4 毫秒脉冲星PSR J1012+5307伴星白矮星的冷却年龄是多少？与脉冲星的自旋降速年龄相比如何？
• RQ5 在氦核心上方的包层质量对低质量白矮星的演化轨迹与热结构影响有多大？

主要发现

• 氢闪仅发生在质量范围0.21 < M/M☉ < 0.3内，低于0.21 M☉或高于0.3 M☉的白矮星均不发生氢闪。
• 氢壳层燃烧对光度的贡献显著，在非常低质量白矮星的有效温度低于10,000 K时仍占主导地位。
• PSR J1012+5307伴星白矮星的质量为0.19 ± 0.02 M☉，由大气参数与演化模型共同推导得出。
• 该白矮星伴星的冷却年龄为6 ± 1 Gyr，与脉冲星7 Gyr的自旋降速年龄高度一致。
• 包含前身星演化与氢壳层燃烧的模型所推导出的冷却年龄，显著长于忽略这些效应的模型结果。
• 随着白矮星总质量从0.414 M☉降至0.179 M☉，其氦核心上方的包层质量从0.6增至5.4 × 10⁻³ M☉。