[論文レビュー] Angular Momentum Loss by Magnetic Braking and Gravitational Radiation in Relativistic Binary Stars

K. Yakut, B. Kalomeni+1 more|ArXiv.org|Nov 4, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、観測データを用いてHMXRB、LMXRB、二重白色矮星系の相対論的連星系における角運動量損失（AML）を、磁気的減速（MSW）と重力波放射（GR）の両面から調査する。AML時間スケールを導出し、比較することで、短周期系ではGRが支配的であるのに対し、晩期星と質量が不釣り合いな連星系ではMSWがより効率的であることが示された。

ABSTRACT

Angular momentum loss (AML) mechanisms and dynamical evolution owing to magnetic braking and gravitational radiation in relativistic binary stars (RBS) are studied with use of physical parameters collected from the literature. We have calculated and compared AML time scales for the RBS with non-degenerate components and double degenerate (DD) systems.

研究の動機と目的

• 相対論的連星系における角運動量損失（AML）メカニズム、特に磁気的減速と重力波放射を分析すること。
• さまざまな連星系における磁気的減速（MSW）と重力波放射（GR）によるAMLの相対的効率を特定すること。
• ブラックホール、中性子星、白色矮星を含むさまざまな成分を持つ連星系におけるAML時間スケールを比較すること。
• 観測データを用いて、これらのAMLメカニズムが引き起こす連星系の動的進化を評価すること。
• GRまたはMSWがAMLを支配する条件、特に公軌道周期、質量比、および成分の種別と関連して特定すること。

提案手法

• HMXRB、LMXRB、二重白色矮星系を含む132個の相対論的連星系の物理的パラメータ（質量、半径、周期、離心率）を文献から収集した。
• Skumanich則とMSWモデルを用いて、磁化された星風による角運動量損失を推定した：$ (dH/dt)_{\text{MSW}} = -1.6 \times 10^{-30} M_2 R_2^4 \omega^3 $。
• 一般相対論的式を用いて重力波駆動によるAMLを適用した：$ (dH/dt)_{\text{GR}} = -3.44 \times 10^{44} (M_1 M_2 M^{-1/3})^2 P^{-7/3} f(e) $。
• 導出した式を用いてAML時間スケールを計算した：$ \tau_{\text{MSW}} \propto (M/M_\odot)^{2/3} (R_2/R_\odot)^{-4} P^{10/3} (1+q)^{-1} (1-e^2)^{1/2} $ および $ \tau_{\text{GR}} \propto P^{8/3} $。
• 星の質量が $ M_2 \leq 0.5 M_\odot $ および $ 0.5 M_\odot < M_2 \leq 1.5 M_\odot $ の場合に適用可能なEggletonのRocheローブ半径式と質量-半径関係を用いて半径を推定した。
• さまざまな連星系タイプにおける対数的なAML時間スケールを公軌道周期の関数としてプロットし、GRとMSWの支配的状態を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的減速と重力波放射は、相対論的連星系における角運動量損失の効率性において、どのように比較されるか？
• RQ2 AML時間スケールは、公軌道周期、質量比、および成分の種別（WD、NS、BH）にどのように依存するか？
• RQ3 どの連星系で重力波放射が磁気的減速を上回り、逆にどの系で磁気的減速が支配的になるか？
• RQ4 HMXRB、LMXRB、DD系などの異なる連星サブタイプ間で、導出されたAML時間スケールはどのように比較されるか？
• RQ5 質量-半径関係とRocheローブの溢出は、近接連星系における磁気的減速によるAML推定に、どのように寄与するか？

主な発見

• 短周期の二重白色矮星系では、重力波放射が角運動量損失を支配する。特に白色矮星または中性子星を含む系で顕著である。
• 磁気的減速によるAML時間スケールは $ \tau_{\text{MSW}} \propto P^{10/3} $ に比例するため、公軌道周期が長い系で最も効果的である。
• 質量比が不釣り合い（q ≪ 1）な系では、磁気的減速の効率が著しく向上し、AML時間スケールが (1+q)⁻¹ の因子で短縮される。
• 重力波放射によるAML時間スケールは $ \tau_{\text{GR}} \approx 376.4 \, q^{-1} (1+q)^2 M^{-5/3} P^{8/3} (1-e^2)^{3/2} (1 + \frac{7}{4}e^2)^{-1} $ Gyr と表され、周期と質量に強く依存する。
• ブラックホールまたは中性子星を伴う系では、公軌道周期が約1日未塔の範囲では、重力波放射がAMLの支配的メカニズムである。
• 本研究は、中性子星の最大質量（約2.4 M⊙）とブラックホールの最小質量（約4 M⊙）の間のギャップが存在することを確認し、コンパクト天体形成における質量ギャップの存在を示唆した。