两颗显著受到潮汐作用的小质量白矮星

(休假这段时间内,其实已经积累了不少非星系物理方向的好玩的文章,可惜没有什么时间详细的阅读;现在恢复更新,我还是会尽我所能的把这里介绍文章的范围扩大一些,不过难免会有错误和疏漏,欢迎大家随时来“找茬”;今天给大家介绍一篇关于白矮星观测的文章,选这篇文章只是因为标题看着很好玩,而且真的不了解,所以我也是在阅读中慢慢学习的,大家看的时候注意挑错啊)

文章: A Two New Tidally Distorted White Dwarfs

  • 作者:J. J. Hermes, Mukremin Kilic, Warren R. Brown, M. H. Montgomery, D. E. Winget 等
  • 论文索引: astro-ph:1202.4202
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

Take Home Message:

双星系统中的白矮星本身就是一个涉及到恒星演化的关键问题,其中涉及到公共包层演化,双星相对性质(single or double-degenerate stars)以及动力学演化等重要问题;而且双星系统提供了一个独特的实验室,对白矮星,尤其是其中小质量白矮星的性质测量有很大的意思,从而可以对白矮星研究中诸如质量-半径关系这样的基础问题给出限制。在这样的双星系统中,有一类特殊系统,其中白矮星自身旋转轴和双星系统的旋转轴方向不重合,其产生的潮汐加热过程会影响白矮星双星系统的演化;对于密近的白矮星双星系统,这样的过程可能会导致进一步的并和或者更有意思的天体物理过程;另外,这样的现象可以为详细的测量这个双星系统的性质提供帮助。

本文介绍了通过利用位于McDonald天文台上的2.2m Otto Struve望远镜上的Argos照相机得到的超高时间分辨测光观测,得到了两颗受到潮汐相互作用的小质量白矮星的观测证据。并利用这个非常好的光变曲线,对双星系统的物理性质进行了测量;这些物理估计主要来自对双星系统光变曲线中ellipsoidal variations和Doppler beaming信号的确认(参见下面的解释)。


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图一:对J1741的高时间分辨的测光观测,上图为一次9小时内的观测光变曲线,下图为100周期平均的结果

这两颗白矮星可以被分别称作J1741和J2119,是我们已知的表面重力最小的小质量白矮星,分别位于短周期的相接双星系统中。通过本文的观测估计,他们的半径分别超过了0.074倍和0.10倍的太阳半径。参考已知的白矮星质量半径关系,这两个半径估计比正常关系给出的高的多,几乎是已知的半径最大的白矮星。这说明潮汐作用影响到了白矮星,使得其看上去“膨胀了”(原文中用词“bloated”)一些;这样的观测和最近Keppler在一些和A型星组成双星系统中看到的小质量白矮星一样,是利用地面观测确认的被潮汐作用显著影响的小质量白矮星。


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图二:观测和理论给出的小质量He核白矮星的质量-半径关系以及本文观测到的两颗白矮星和若干Kepler观测到的“膨胀”白矮星的分布。

Key Words:

  • 小质量白矮星:白矮星是小质量恒星演化末期的产物,基本可以看成恒星内部的简并核心成分;在银河系中,有很大一部分的单星会演化成为平均质量0.6太阳质量,半径和地球差不多的C/O核心的白矮星;但也有很多白矮星是在双星系统中演化的,其中有很多位于短周期的双星系统中,而且在其演化过程中会经历与伴星系统的稳定或者不稳定的物质交换;很多短周期的双星系统会经历1个或者2个公共包层演化阶段,最终形成一个包含一个小质量He核的白矮星(质量小于0.45太阳质量)。根据构成白矮星的简并物质的物态性质,这些小质量白矮星拥有更大的半径。这些位于密近双星系统中的小质量白矮星可能和很多有趣的物理过程有关,包括双星并和产生各种奇异性质的恒星,甚至是非常重要的SNIa超新星爆发等。关于白矮星的天体物理应用,感兴趣的同学可以参考这篇PhD Thesis的介绍部分
  • Argos:McDonald天文台2.1-meter Otto Struve Telescope上的高速测光设备,最早是用多个光电倍增光组成,因而用神话中的多眼巨人Argos命名;随后升级为了CCD,且采用了Frame-Transfer技术做到几乎连续的测光。在该技术下,CCD只有一半用来测光,但可以说没有快门的关闭,在一定的积分时间后,测光CCD部分记录的电子会被快速的转移到另一半上,然后继续开始新的测光,同时,在CCD的另一半上,刚刚记录下的电子再被读出到记录设备上。
  • ELM巡天:利用MMT 6.5m望远镜进行的在高视向速度恒星中利用光谱观测寻找小质量白矮星的巡天工作,项目已经成功的发现了一个样本的小质量白矮星,且有不同的物理背景;已经发现了20余颗双白矮星系统,以及目前唯一已知的相接白矮星双星系统。巡天目前已经发表了三篇文章,分别可以在这里看到:Paper1; Paper2; Paper3

  • Ellipsoidal Variations:本文的主要观测效应之一,我实在不知道对应的中文翻译了;这个效应出现在有一个被潮汐作用扭曲了的成员的双星系统中(恒星-恒星;恒星-行星),在这样的系统中,被改变了形状的天体,会呈现出一种椭球的形态,其主轴始终沿着到主星的连线,而短轴则与之垂直。这样的几何效应会叠加在双星绕转产生的光变曲线之上,其作用的周期是双星轨道周期的一半,在整个光变周期相位的0.25和0.75处取极大值,在0.0和0.5处取极小(参看图一的光变曲线)。这个效应基本就是一个由于投影面积改变造成的几何效应,其幅度取决于双星的质量比例和轨道倾角。
  • Rotational Doppler Beaming效应:对于掩食双星系统,两个成员星的自转会在掩食过程发生或者刚结束的时候产生一个Doppler beaming信号,基本可以看作很大幅度的相对视向速度的改变产生的效应。这个信号在有一个高速自转的成员星的时候最强烈,目前已经在白矮星双星,大质量O型星双星,系外行星系统中探测到。关于这个效应的具体物理分析,可以参考这篇文章
  • Discussion:

    对我个人而言,很少有机会阅读这类关于致密星的观测文章,不过偶尔读来还是能有不少收获的,只不过实在还没到发表评论的地方;值得提一下的是,作者提到了这样的密近白矮星双星系统是强力的引力波辐射源候选,虽然我们离真正探测到离散的引力波发射天体还有一定的距离,但是我们已经知道,随着引力辐射不断的把双星的动能带走,轨道会发生衰变,而这样的衰变可能会导致双星进一步密近接触甚至发生并和。虽然这个过程的时标还有不确定的地方,但可以肯定的是,这个过程对于热爱致密星研究的天文学家有着不小的魅力。

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