熱的サブドワーフと白色矮星を含む連星系から二重白色矮星、および超高速逃走星を伴う二重爆発型超新星への進化

核心概念

熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系の進化は、初期条件によって、二重爆発型超新星、ヘリウムノバ、または二重白色矮星のいずれかの結末を迎える。

要約

書誌情報

Rajamuthukumar, A. S., Bauer, E. B., Justham, S., Pakmor, R., de Mink, S. E., & Neunteufel, P. (2024). Evolution of binaries containing a hot subdwarf and a white dwarf to double white dwarfs, and double detonation supernovae with hypervelocity runaway stars. Astronomy & Astrophysics.

研究目的

本研究は、熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系の進化経路を明らかにし、初期条件によって最終的に二重爆発型超新星、ヘリウムノバ、二重白色矮星のいずれの運命をたどるかを解明することを目的とする。

方法

三次元恒星進化コードMESAを用いて、熱的サブドワーフと白色矮星の連星系進化のシミュレーションを行った。初期軌道周期、熱的サブドワーフの質量、白色矮星の質量を変化させた3120モデルのグリッド計算を実施し、連星系の進化と最終的な運命を調べた。特に、ヘリウム層の臨界密度に着目し、二重爆発型超新星とヘリウムノバを区別した。

主な結果

• 熱的サブドワーフの質量が小さく、連星系の軌道周期が短い場合、質量降着率が大きくなり、二重爆発型超新星が起こりやすい。
• 熱的サブドワーフの質量が大きく、連星系の軌道周期が長い場合、質量降着率が小さくなり、ヘリウムノバが起こりやすい。
• 連星系が質量降着を起こさずに進化すると、二重白色矮星が形成される。
• 二重爆発型超新星が発生した場合、生き残った伴星は450 km/sから1000 km/sの高速で放出される。

結論

熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系の進化は、初期の質量や軌道周期によって、二重爆発型超新星、ヘリウムノバ、二重白色矮星のいずれかの結末を迎える。本研究で得られた結果は、Gaia、LSST、LISAなどの将来の観測ミッションで発見されるであろう、熱的サブドワーフと白色矮星を含む連星系の進化の理解に貢献するものである。

意義

本研究は、熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系の進化と、その最終的な運命を詳細にシミュレーションした初めての研究である。本研究で得られた結果は、二重爆発型超新星の起源、超高速星の形成メカニズム、白色矮星の質量増加過程などを理解する上で重要な手がかりとなる。

限界と今後の研究

本研究では、質量降着を保守的なものと仮定しており、非保守的な質量降着や降着円盤の形成などの影響は考慮していない。また、超新星爆発やヘリウムノバの発生後の進化についても、詳細なモデリングは行っていない。これらの点は、今後の研究課題として残されている。

統計

熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系は、銀河系に少なくとも10^3-10^4個存在すると推定される。
二重爆発型超新星が発生するためには、白色矮星の表面に約0.05太陽質量以上のヘリウム層が必要である。
本研究で計算された二重白色矮星系のヘリウム層の最大質量は、約0.18太陽質量であった。

引用

"The minimum amount of helium required to ignite the helium shell that leads to a double detonation supernova in our grid is ≈0.05 M⊙, likely too large to produce spectra similar to normal type Ia supernovae, but compatible with inferred helium shell masses from some observed peculiar type I supernovae."
"In our double detonation systems, the orbital velocity of the surviving donor star ranges from ≈450 km s−1 to ≈1000 km s−1."

抽出されたキーインサイト

Evolution of binaries containing a hot subdwarf and a white dwarf to double white dwarfs, and double detonation supernovae with hypervelocity runaway stars

by Abin... 場所 arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08099.pdf

深掘り質問

熱的サブドワーフと白色矮星以外の連星系では、どのような進化経路を経て、どのような天体が形成されるのだろうか？

熱的サブドワーフと白色矮星以外の連星系も、質量や軌道周期、金属量などの初期条件によって多様な進化経路をたどります。その結果、白色矮星、中性子星、ブラックホールといったコンパクト星や、Ia型超新星、X線連星、ミリ秒パルサーといった激しい天体現象が生み出されます。
以下に、代表的な連星系の進化経路と形成される天体の例をいくつか示します。

大質量星同士の連星系:

片方の星が進化して赤色巨星になると、もう一方の星に質量移動が起こり、共通外層を形成することがあります。
共通外層の中でさらに進化が進み、最終的に両方の星がコアを失い、Ia型超新星爆発を起こすことがあります。
爆発後には、連星系は破壊されるか、高速で運動する連星パルサーが残される可能性があります。

白色矮星と主系列星の連星系:

白色矮星の強い重力によって主系列星から物質が流れ込み、降着円盤を形成します。
降着円盤で物質が臨界質量を超えると、新星爆発を起こします。
質量降着が継続すると、白色矮星がチャンドラセカール限界質量に達し、Ia型超新星爆発を起こすことがあります。

中性子星同士の連星系:

重力波を放出しながら軌道が縮小し、最終的に合体します。
合体時には、キロノバと呼ばれる爆発現象を起こし、金やプラチナなどの重元素が合成されると考えられています。

ブラックホールと伴星の連星系:

伴星からブラックホールに物質が流れ込み、降着円盤を形成します。
降着円盤は、強いX線を放射し、X線連星として観測されます。
ブラックホールの質量が大きい場合、伴星はブラックホールに飲み込まれずに、潮汐破壊現象を起こし、ジェットを噴出することがあります。
これらの例は、ほんの一部であり、連星系の進化は複雑で多岐にわたります。

本研究では、質量降着を保守的なものと仮定しているが、非保守的な質量降着が起こった場合、連星系の進化や最終的な運命はどう変わるのだろうか？

本研究では、簡略化のために質量降着を保守的なものと仮定していますが、現実には、降着した物質の一部が連星系外に流出する「非保守的な質量降着」が起こることが知られています。非保守的な質量降着が起こると、連星系の質量比や軌道角運動量が変化するため、進化経路や最終的な運命に影響を与える可能性があります。
例えば、質量降着の際に物質が角運動量を持ち去ると、連星系の軌道周期は短縮する代わりに長くなる可能性があります。その結果、質量降着率が低下したり、質量降着が停止したりすることがあります。また、質量降着が非保守的であると、白色矮星の質量がチャンドラセカール限界に達するのが遅くなるため、Ia型超新星爆発が起こる確率が低下する可能性も考えられます。
さらに、非保守的な質量降着によって、連星系から放出された物質が、周囲の星間物質と衝突し、衝撃波を形成することで、星形成を促進したり、逆に抑制したりする可能性も指摘されています。
このように、非保守的な質量降着は、連星系の進化に様々な影響を与える可能性があり、今後の研究課題として重要なテーマとなっています。

熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系の進化は、銀河の進化にどのような影響を与えるのだろうか？

熱的サブドワーフと白色矮星からなる連星系の進化は、銀河の進化に以下のようないくつかの影響を与える可能性があります。

Ia型超新星の発生率への影響:

熱的サブドワーフと白色矮星の連星系は、Ia型超新星の重要な候補天体の一つと考えられています。
この連星系の進化とIa型超新星爆発の発生頻度の関係を理解することは、銀河における元素合成の歴史や、宇宙論的な距離指標としてのIa型超新星の利用可能性を評価する上で重要です。

重力波源としての寄与:

熱的サブドワーフと白色矮星の連星系は、近接した連星系であるため、重力波を強く放射します。
これらの連星系からの重力波は、将来の宇宙ベース重力波望遠鏡で観測可能な可能性があり、連星系の進化に関する新たな知見をもたらすと期待されています。

銀河の化学進化への影響:

熱的サブドワーフと白色矮星の連星系から放出される物質は、銀河の星間物質に供給され、銀河全体の化学組成に影響を与える可能性があります。
特に、連星系進化の最終段階で起こる可能性のある、Ia型超新星爆発や、新星爆発は、鉄や炭素、酸素などの元素を星間物質に供給する役割を担っており、銀河の化学進化に大きく貢献していると考えられています。
これらの影響を定量的に評価するためには、詳細な連星系進化の計算と、銀河全体の化学進化モデルを組み合わせた研究が必要となります。