[论文解读] The rate of WD-WD head-on collisions may be as high as the SNe Ia rate

Boaz Katz, Subo Dong|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2012

Astro and Planetary Science被引用 81

一句话总结

本文提出，在具有三级结构的白矮星双星系统中，白矮星之间的正面碰撞速率可能与观测到的Ia型超新星（SN Ia）速率相当。通过三体模拟与解析建模，研究表明，遥远且倾角较大的第三颗恒星引发的科兹艾-利多夫振荡可使轨道偏心率极端升高（1−e ∼ 10⁻⁶），从而在约50亿年内使约5%的内层轨道分离度为a ∼ 1–300 AU的系统发生碰撞。

ABSTRACT

We show that a White Dwarf-White Dwarf (WD-WD) binary with semi-major axis a=1-300 AU, which is orbited by a stellar mass outer perturber with a moderate pericenter r_{p, out} \sim 3-10 x a, has a few percent chance of experiencing a head-on collision within ~5 Gyr. Such a perturber is sufficiently distant to allow the triple system to remain intact for millions of orbits while efficiently exchanging angular momentum with the WD-WD binary. In ~ 5% of the initial orientations, the inner orbit efficiently scans the (equal energy) phase space in the region of zero angular momentum. In these systems, the binary experiences increasingly closer, stochastic, pericenter approaches r_p ~ a/2N with the increasing number (N) of orbits elapsed. Within N~10^5(a/30AU) orbits, a collision is likely to occur. This is shown by performing \simten thousand 3-body integrations and is explained by simple analytic arguments. The collisions are conservatively restricted to "clean" collisions in which all passages prior to the collision are greater than 4R_WD=4x10^9cm. In particular, within the last single orbit, the pericenter changes from r_p>4R_WD to a collision value of r_p<2R_WD. The effects of tidal deformations and General Relativistic (GR) corrections are negligible in these scenarios. The WDs approach each other with a high velocity >3000 km/s and the collision is likely to detonate the WDs leading to a type Ia SNe. If a significant fraction of WDs reside in such triples, the rate of such collisions is as high as the SNe Ia rate, and it is possible that some or all type Ia SNe occur in this way. Such SNe have a unique gravitational wave signature, which will allow a decisive identification in the future.

研究动机与目标

• 研究在分级三合星系统中，白矮星-白矮星（WD-WD）正面碰撞是否可能发生得足够频繁，以解释观测到的Ia型超新星（SN Ia）速率。
• 挑战主流假设，即此类碰撞极为罕见，因其需要接近1的偏心率及极端相空间条件。
• 证明在中等分级的三合星系统（外轨道近日点rp,out/a ∼ 3–10）中，科兹艾-利多夫机制可通过在零角动量附近进行随机相空间扫描，高效地驱动WD-WD双星发生碰撞。
• 表明潮汐力和广义相对论效应可忽略不计，且由于强扰动引起的角动量变化，最终近日点从>4R_WD跃迁至<2R_WD可在单个轨道内完成。
• 确立此类碰撞极有可能引发爆燃，产生具有独特引力波信号的Ia型超新星事件。

提出的方法

• 使用Preto-Tremaine-Mikkola-Tanikawa（PTMT）对称正则积分器，结合自适应时间步长，对约10,000个分级WD-WD三合星系统的直接三体数值积分进行模拟。
• 采用混合积分方案，结合对称正则漂移-冲量步骤与基于总能量和动能的能量守恒自适应时间步长，以在近距离接近时保持精度。
• 为对比，使用高阶Wisdom-Holman（WH）积分器，其采用8阶对称系数（8,6,4），但由于自适应时间步长，其并非完全对称。
• 应用保守的碰撞判据：所有先前的接近距离必须超过4R_WD = 4×10⁹ cm，且最终近日点在单个轨道内因扰动引起的角动量变化而降至2R_WD以下。
• 分析在接近零角动量（J=0）区域的相空间随机扫描，其中偏心率e→1，持续约10⁵个轨道，对应约30 AU的双星系统。
• 利用解析论证解释碰撞概率随N ∼ 10⁵(a/30 AU)个轨道缩放，且在内轨道相空间被随机采样于e≈1附近的系统中，碰撞可能性更高。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分级三合星系统中，白矮星-白矮星正面碰撞是否可能以与观测到的Ia型超新星速率相当的速率发生？
• RQ2 科兹艾-利多夫机制在中等分级三合星系统（rp,out/a ∼ 3–10）中，如何驱动WD-WD双星进入近径向轨道（e→1）？
• RQ3 遥远第三颗恒星的扰动如何导致近日点从>4R_WD跃迁至<2R_WD，从而实现清晰的碰撞？
• RQ4 在长期演化过程中，潮汐力或广义相对论效应是否显著到足以阻止此类碰撞？
• RQ5 在50亿年内发生碰撞的初始三合星构型所占比例是多少？该比例如何随轨道分离度和倾角变化？

主要发现

• 在约5%的初始构型中，具有约1–300 AU半长轴的内层WD-WD双星与中等倾角的第三颗恒星（rp,out/a ∼ 3–10）组成的三合星系统，可在约50亿年内发生正面碰撞。
• 碰撞概率源于在零角动量附近（J=0）的相空间随机扫描，双星偏心率在约10⁵(a/30 AU)个轨道内被驱动至e→1。
• 最终近日点跃迁——从>4R_WD跃迁至<2R_WD——在单个轨道内完成，由最后一次远星点处的强扰动引起，实现无先前潮汐或广义相对论效应影响的清洁碰撞。
• 碰撞时的相对速度超过3000 km/s，足以触发质量小于钱德拉塞卡极限的白矮星（各为0.6M☉）发生爆燃，从而产生Ia型超新星。
• 此类碰撞的速率估计可达观测到的SN Ia速率3×10⁻⁵ Mpc⁻³ yr⁻¹，表明该机制可能解释全部或绝大多数SN Ia事件。
• 这些超新星将因正面碰撞产生独特的引力波信号，使未来可通过观测手段识别。