[論文レビュー] Binary evolution and neutron stars in globular clusters

F. Verbunt|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、密度の高い球状星団の中心部における近接恒星の接近が、中性子星連星および再活性化されたパルサーを形成する主要なメカニズムであると主張している。X線および電波観測によって、この仮説は、星団の中心密度および半径に比例する形成率のスケーリングによって裏付けられている。主な発見では、低輝度X線源（おそらく降着中の中性子星）が高輝度源をはるかに多く含んでおり、パルサーの公軌道周期と同伴星質量は、密度の高い星団における潮汐捕獲が支配的な形成経路であることを示している。

ABSTRACT

Improved observations of globular clusters are uncovering a large number of radio pulsars and of X-ray sources. The latter include binaries in which a neutron star or a white dwarf accretes matter from a companion, recycled pulsars, and magnetically active binaries. Most of these sources originate from close encounters between stars in the cluster core; magnetically active binaries and some cataclysmic variables have evolved from primordial binaries. The formation rate through close encounters scales differently with the central density and core radius of the cluster than the probability for a single binary to be perturbed by an encounter. This is exploited in some preliminary observational tests of the close encounter hypothesis. Accreting black holes have been found in globular clusters with other galaxies; the absence of such holes in the Milky Way clusters is compatible with the small number expected.

研究の動機と目的

• 球状星団における中性子星連星および再活性化パルサーの支配的形成メカニズムを特定すること。
• 近接恒星の接近（原始的連星進化ではなく）が、密度の高い星団におけるX線および電波源の過剰な存在を説明できるかどうかを検証すること。
• 星団の中心密度およびコア半径が、観測されたX線およびパルサー源の分布に与える影響を調査すること。
• 銀河系の球状星団におけるX線源の性質と、他の銀河の星団（特にM31など）におけるものとを比較し、降着ブラックホールの存在を含めて検討すること。
• さまざまな星団環境下での異なる連星タイプ（例えば、増光星、RS CVn星）の生存と進化を評価すること。

提案手法

• Einstein、ROSAT、Chandra、XMM-Newton衛星からのデータを用いて、球状星団内のX線および電波源の数を分析する。
• 接触率の式 Γ ∝ ρ₀² r_c³ R / v を用いて、潮汐捕獲および交換接近による連星形成率をモデル化する。ここで ρ₀ は中心密度、r_c はコア半径、v は相対速度である。
• 星団間で観測されたX線輝度関数（dN/dL ∝ Lₓ^−p）を理論的期待値と比較し、勾配 p が星団力学および連星破壊率とどのように関連するかを特定する。
• パルサー連星の公軌道周期および質量関数分布を評価し、形成メカニズム（例えば、潮汐捕獲対交換接近）を推定する。
• 理論的期待値と整合するかどうかを検証する統計的検定を実施し、銀河系の星団に高輝度X線源が存在しないことが理論的期待値と整合するかどうかを評価する。
• 銀河系の球状星団におけるX線源の性質と、外部銀河（例：M31）におけるものとを比較し、特に10³⁹ erg/s以上の明るい源がブラックホール連星を示唆しているかどうかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団における中性子星連星および再活性化パルサーの支配的形成メカニズムは、原始的連星進化か、近接恒星の接近か？
• RQ2 球状星団における観測されたX線輝度関数および源の分布は、連星形成および破壊に星団コア密度およびコア半径が果たす役割をどのように制約するか？
• RQ3 47 TucとNGC6752のパルサーはすべて短周期（≤9 ms）であるが、M15とNGC6440のパルサーは長周期（最大379 ms）である。これは形成メカニズムにどのような含意をもたらすか？
• RQ4 球状星団における低輝度X線源は、主に降着中の中性子星か、増光星かであり、その分布は星団力学とどのように関連しているか？
• RQ5 他の銀河の球状星団では降着ブラックホールが検出されるが、銀河系の星団では検出されない。これは形成率および検出限界にどのような含意をもたらすか？

主な発見

• 近接接近による中性子星連星の形成率は、星団の中心密度およびコア半径に従って Γ ∝ ρ₀² r_c³ とスケーリングされ、単一連星の摂動率とは異なり、検証可能な予測を提供する。
• Chandra観測では、低輝度X線源（Lₓ ≤ 10³⁵ erg/s）が高輝度源（Lₓ ≥ 10³⁶ erg/s）の5〜10倍多く存在しており、低降着率の中性子星系が支配的である可能性を示唆している。
• 47 Tucでは、すべてのパルサーの周期が7.6 ms未満であり、潮汐捕獲による形成を示している。一方、M15およびNGC6440の長周期パルサー（最大111 ms）は、交換接近による形成を示唆している。
• M4およびM53のパルサー連星は長い公軌道周期（191日および256日）を示しており、接触率γが低い（低γ）ことと整合的である。一方、47 Tucの高いγ値は、長周期連星が生存できないことを示している。
• 47 TucのX線輝度関数の勾配p = 0.8は、NGC6397のp = 0.3よりも急で、磁気的に活性な連星および低輝度源が密度の高い星団で破壊されることを示している。
• XMM-Newtonは、M31の最大の星団Mayall IIで微弱なX線源を検出しており、外部銀河における明るい源（>10³⁹ erg/s）はブラックホール連星を示唆しているが、銀河系の星団では期待される数が少なく、検出限界のため、それらは検出されていない。