[论文解读] Tidally excited oscillations in MACHO 80.7443.1718: Changing amplitudes and frequencies, high-frequency tidally excited mode, and a decrease in the orbital period

Piotr A. Kołaczek-Szymański, A. Pigulski+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 61被引用 14

一句话总结

本研究利用30年地面观测与TESS光度观测数据，调查了极端心跳星MACHO 80.7443.1718中的潮汐激发振荡（TEOs）。研究发现TEOs的振幅和频率存在变化，包括新探测到的n=230模态，表明存在非线性模态耦合；同时观测到轨道周期以约11秒/年的速率减小，暗示存在质量损失、潮汐耗散或第三颗伴星。这些结果挑战了现有的TEO激发理论，并凸显了TEOs在大质量双星演化中的关键作用。

ABSTRACT

Eccentric ellipsoidal variables (aka heartbeat stars) is a class of eccentric binaries in which proximity effects, tidal distortion due to time-dependent tidal potential in particular, lead to measurable photometric variability close to the periastron passage. The varying tidal potential may also give rise to tidally-excited oscillations (TEOs). TEOs may play an important role in the dynamical evolution of massive eccentric systems. Our study is aimed at the detection of TEOs and characterisation of the long-term behaviour of their amplitudes and frequencies in the extreme-amplitude heartbeat star MACHO 80.7443.1718, consisting of a blue supergiant and a late O-type massive dwarf. We use two seasons of Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) observations of the target to obtain new 30-min cadence photometry by means of the difference image analysis of TESS full-frame images. In order to extend the analysis to longer time scales, we supplement the TESS data with 30-years long ground-based photometry of the target. We confirm the detection of the known $n=23$, 25, and 41 TEOs and announce the detection of two new TEOs, with $n=24$ and 230, in the photometry of MACHO 80.7443.1718. Amplitudes of all TEOs were found to vary on a time scale of years or months. For $n=25$ TEO amplitude and frequency changes are related, which may indicate that the main cause of the amplitude drop of this TEO in TESS observations is the change of its frequency and increase of detuning parameter. The light curve of the $n=230$ TEO is strongly non-sinusoidal. Its high frequency may indicate that the oscillation is a strange mode. We also find that the orbital period of the system decreases at the rate of about 11 s(yr)$^{-1}$, which can be explained by a significant mass loss or mass transfer in the system with a possible contribution from tidal dissipation.

研究动机与目标

• 检测并表征极端心跳星MACHO 80.7443.1718中长期变化的潮汐激发振荡（TEOs）。
• 探究TEOs振幅与频率变化的原因，特别是n=25和n=41模态的变化。
• 确定过去30年中观测到的轨道周期约11秒/年减小的原因。
• 探讨高频TEOs（如n=230）和非正弦光曲线对恒星脉动理论的启示。
• 评估TEOs在大质量偏心双星动力学演化中的作用，包括能量耗散与角动量转移。

提出的方法

• 利用差分像分析（pyDIA）从TESS全帧图像中获取30分钟采样率的光度数据，以提高信噪比。
• 将TESS数据与来自MACHO和ASAS-SN巡天的30年地面光度数据相结合，延长时间基线。
• 应用傅里叶技术检测TEOs，并分析其振幅、频率和相位稳定性随时间的变化。
• 对n=230 TEO的光曲线进行建模，评估其非正弦形状，并推断模态类型（如奇异模态）。
• 利用质量函数和轨道倾角估算双星组分质量，并评估质量转移或损失速率。
• 评估多种机制——质量损失、潮汐耗散、第三体摄动——对观测到的轨道周期衰减的解释能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么原因导致MACHO 80.7443.1718中潮汐激发振荡的振幅与频率发生观测到的变化？
• RQ2 为何高频TEO模态n=230被激发，尽管标准潮汐耦合系数表明其不应被激发？
• RQ3 失谐参数变化与模态耦合如何解释n=25 TEO振幅下降的现象？
• RQ4 何种物理机制可解释过去30年中约11秒/年的轨道周期减小？
• RQ5 高振幅TEOs在多大程度上影响大质量偏心双星的动力学演化？

主要发现

• 本研究确认了已知的n=23、25和41 TEO的存在，并在MACHO 80.7443.1718的光度数据中首次探测到n=24和n=230两个新TEO模态。
• 所有TEO的振幅在数月到数年的时标上发生变化，其中n=25 TEO的振幅与频率变化呈相关性，提示其与失谐或非线性模态耦合有关。
• n=230 TEO表现出强烈的非正弦光曲线，表明其可能为奇异模态，对标准TEO激发模型构成挑战。
• 该系统轨道周期在过去三十年中以约每年11秒的速率减小，与质量损失、潮汐耗散或存在遥远第三颗伴星的假设一致。
• 光曲线中的随机变化与大质量演化恒星的预期行为相符，独立证实了主星为蓝超巨星的身份。
• 结果表明，TEOs可能在耗散轨道能量与角动量方面发挥重要作用，可能导致大质量双星的快速轨道衰减，甚至最终合并。