X射線雙星的形成與演化

1、X 射線雙星的形成與演化X 射線雙星是包含一顆吸積致密星( 黑洞 , 中子星或者白矮星 ) 的雙星系統(tǒng) ,是宇宙中的重要天體。 對它們的研究不僅可以幫助人們理解雙星演化、吸積盤和致密星物理 , 而且也有助于對星系的形成和演化歷史甚至宇宙學(xué)模型的認(rèn)識。本文的目的是討論X 射線雙星的形成和演化過程, 涉及到 Be/X 射線雙星、低質(zhì)量 X射線雙星、極亮X 射線源和激變變星。在第一章我們簡要介紹雙星演化的知識, 包括恒星演化、雙星相互作用、X射線雙星的形成和演化等。在第二章我們討論通過雙星相互作用渠道來形成Be星。 Be 星是快速旋轉(zhuǎn)的B 型星。它們快速旋轉(zhuǎn)的起源還是不清楚的, 雙星相互作用是一個(gè)非

2、常有可能的途徑。在本章中我們研究雙星中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移對恒星自轉(zhuǎn)的影響。我們首先通過同時(shí)計(jì)算雙星中兩顆恒星的演化 , 并考慮吸積星可能的質(zhì)量吸積歷史, 得到了臨界質(zhì)量比qcr, 它可以決定物質(zhì)轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定性。然后我們把 qcr 和數(shù)值計(jì)算得到的公共包層能量因子都加入到了星族合成計(jì)算 , 得到了不同類型伴星 ( 包括氦星、白矮星、中子星和黑洞 ) 的 Be星雙星的預(yù)計(jì)數(shù)目和性質(zhì)。 我們發(fā)現(xiàn) Be/ 中子星雙星中的Be 星的質(zhì)量可以達(dá)到 8M , 如果它們經(jīng)歷了穩(wěn)定的 ( 沒有公共包層演化發(fā)生 ) 和非守恒的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。 我們的工作還表明 , 孤立的 Be星可能起源于兩個(gè)主序星的并合和超新星爆炸破壞的Be雙

3、星 ,但合并過程扮演了更重要的角色。最后 , 涉及雙星相互作用的Be星在所有 B型星中的百分比可以高達(dá)-13%-30%,意味著大多數(shù)的Be 星是通過雙星相互作用產(chǎn)生的。第三章介紹了中等質(zhì)量和低質(zhì)量 X 射線雙星與毫秒脈沖星的演化聯(lián)系。我們系統(tǒng)地研究了中等質(zhì)量和低質(zhì)量X 射線雙星的演化 , 其中的雙星是由一個(gè)1.0-1.82M 的吸積的中子星和一個(gè)1.0-6.0M 的伴星組成。在我們的計(jì)算中 , 我們考慮了一些物理過程的影響, 如不穩(wěn)定的吸積盤、在射電脈沖星階段的拋射、雙星演化中暫時(shí)的洛希瓣脫離和經(jīng)過外朗格朗日L2 點(diǎn)的外流。通過比較計(jì)算結(jié)果和觀測到的雙星射電脈沖星性質(zhì), 我們得到如下結(jié)論。(1

4、) 在初始的軌道周期 - 伴星質(zhì)量平面上 , 形成雙星脈沖星所允許的參數(shù)空間隨著中子星質(zhì)量的增加而增大。這也許能夠幫助解釋為什么一些軌道周期長于 60 天的毫秒脈沖星似乎比期望的白矮星質(zhì)量更小。另一種可能性是 , 一些寬軌道的雙星脈沖星可能是通過行星 / 褐矮星參與的公共包層演化的渠道來形成的。 (2) 一些密近的雙星脈沖星可能是由中等質(zhì)量 X 射線雙星演化而來的 , 但要求伴星具有異常高的磁場。(3) 在低質(zhì)量 X 射線雙星中 , 中子星的平衡自旋周期比觀測到的雙星脈沖星的自旋周期短一個(gè)量級以上 , 表明要么簡單的平衡自旋模型有缺陷 , 要么存在其他的自旋減速機(jī)制。 在第四章我們分析了周期空

5、隙下方的激變變星的角動(dòng)量損失機(jī)制。在周期空隙上方 , 激變變星中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移通常認(rèn)為是由磁制動(dòng)和引力輻射所驅(qū)動(dòng)的角動(dòng)量損失引起的。對于周期空隙下方的激變變星, 僅僅引力波輻射在起作用。然而, 最近由Knigge 等(2011) 給出對激變變星的觀測數(shù)據(jù)擬合表明, 周期空隙下方的角動(dòng)量損失率是引力波輻射造成的損失率的2.47( ±0.22) 倍 , 這就意味著存在額外的角動(dòng)量損失。我們考慮了幾種可能的角動(dòng)量損失機(jī)制：從吸積白矮星表面發(fā)出的星風(fēng)、外拉格朗日點(diǎn)處的外流、環(huán)雙星(CB)盤的形成。我們發(fā)現(xiàn) , 來自白矮星的星風(fēng)和L1 點(diǎn)的外流都不能解釋這個(gè)額外的角動(dòng)量損失率 , 而 L2 點(diǎn)的外

6、流有效地提取角動(dòng)量, 這里要求物質(zhì)轉(zhuǎn)移時(shí)有 -(15-45)% 的物質(zhì)逃逸出雙星系統(tǒng)。 更有效的機(jī)制是由CB盤施加的引力力矩。 在這種情況下 ,質(zhì)量損失的百分比可以低至(?)10-3 。我們在第五章介紹了對吸積中子星極亮X 射線源的研究。大多數(shù)的極亮X射線源都被認(rèn)為是X 射線雙星系統(tǒng) , 但是以前的觀測和理論研究都趨向于有一個(gè)黑洞 ( 而不是中子星 ) 在吸積。對極亮X 射線源 M82 X-2, 最近發(fā)現(xiàn)的 1.37 秒的脈沖表明吸積星是一個(gè)磁中子星。我們模擬了 M82和銀河系中的中子星 - 極亮 X射線源的形成歷史 , 結(jié)合雙星星族合成和詳細(xì)的雙星演化計(jì)算, 我們發(fā)現(xiàn)兩種情形下的初始的X 射

7、線雙星的誕生率在 10-4 yr-1左右。我們給出了極亮X 射線源在伴星質(zhì)量 - 軌道周期平面上的分布。與黑洞 -X 射線雙星相比較 , 中子星 -X 射線雙星對極亮 X 射線源星族的貢獻(xiàn)相當(dāng)甚至可能更多 , 高質(zhì)量 / 中等質(zhì)量 X 射線雙星分別主導(dǎo)著M82/銀河系中的中子星 - 極亮 X 射線源。在第六章中 , 我們討論了銀河系內(nèi)中等質(zhì)量和低質(zhì)量X 射線雙星的形成和演化。通過星族合成和恒星演化計(jì)算, 我們得到了銀河系內(nèi)中等質(zhì)量和低質(zhì)量X 射線雙星的誕生率 , 它們的演化軌跡和分布特征。 然后我們追蹤 X 射線雙星的演化 ,直到形成雙星毫秒脈沖星。我們發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量和低質(zhì)量X 射線雙星的誕生率處在9×10-6-3.4 ×10-5yr-1 范圍內(nèi) , 與它們的產(chǎn)物雙星毫秒脈沖星的誕生率相一致。計(jì)算結(jié)果表明 X 射線雙星更有可能以密近的系統(tǒng)( 軌道周期 (?)1天, 伴星質(zhì)量 (?)0.3M ) 被觀測到。雙星毫秒脈沖星的軌道周期處在1 天到幾百天范圍內(nèi)。這些特征和觀測的低質(zhì)量X 射線雙星和雙星毫秒脈沖星相符。 我們證實(shí)了以前文獻(xiàn)中提到的理論預(yù)期和觀測之間的偏離。也就是, 理論上 X 射線雙星中的平均物質(zhì)轉(zhuǎn)移率 ( 10-10M yr-1