[論文レビュー] Formation of Compact Binaries in Globular Clusters

S. Rappaport, Eric Pfahl+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2001

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、球状星団における中性子星（NS）の保持および二重星形成に関する2つの集団合成研究を提示しており、原始的二重星がネイタルキックを低減させることでNSの保持を促進することを示している。また、10⁶個の原始的二重星と10⁴個のNSから成る集団が、47 Tucのような星団で観測される近接・再始動型電波パルサーの豊度を説得的に再現可能であることを示している。

ABSTRACT

We report here on two complementary population synthesis studies which relate directly to the formation and evolution of neutron star binaries in globular clusters. In the first, we compute the probability of retaining neutron stars in globular clusters, and quantitatively confirm the idea that the retention fraction for neutron stars born in binary systems is greatly enhanced over those born in isolated stars. However, the retention fraction may well be insufficient to explain the current population of neutron star binaries. In the second study, we follow a large population of primordial binaries and neutron stars throughout the lifetime of a globular cluster whose properties may be similar to 47 Tuc. We directly compute all 3-body interactions among binary systems, neutron stars, and isolated field stars throughout the history of the cluster. The evolution of certain types of neutron star binaries is followed up to the current epoch. The numbers of close, recycled, binary radio pulsars are evaluated and compared with the results of radio observations.

研究の動機と目的

• 高いネイタルキック速度により大多数のNSが脱出するはずであるが、球状星団における中性子星保持問題を解消すること。
• 二重星系が形成過程における有効な反動速度を低減させることでNSの保持が促進されるかどうかを調査すること。
• 集団の寿命にわたり、大規模な原始的二重星およびNS集団の動的進化をシミュレートし、観測されたコンパクト二重星集団を再現すること。
• 47 Tucのような星団における観測された二重電波パルサーの数が、動的形成メカニズムによって説明可能かどうかを特定すること。
• 動的相互作用を通じて生成されるNS-NS、NS-WD、およびWD-WD二重星の形成率と最終的集団を定量化すること。

提案手法

• 初期質量関数に従い、主星質量と二重星分離距離を含む初期二重星パラメータをモンテカルロ法でサンプリングした。
• ネイタルキック速度をマクスウェル分布（σ ≈ 190 km s⁻¹）としてモデル化し、NS保持率を計算するため、二重星進化理論を適用した。
• 直接N体法に類似した動的法則を用い、10⁶個の原始的二重星と10⁴個のNSを、星間の3体相互作用およびNSとの相互作用を含めて、集団の寿命にわたり追跡した。
• 相対速度と質量に基づく断面積を用いて、交換、硬化、および脱出を含むすべての関連する動的衝突をシミュレートした。
• 安定および不安定な質量転送を伴う二重星の進化を追跡し、共通エンvelope段階を含み、現在の時刻に至るまでの進化を追跡した。
• ハイブリッド手法を採用：不安定な質量転送に対しては共通エンvelope進化をモデル化し、安定な質量転送に対しては将来の用途を想定して事前計算された二重星進化モデルまたはHenyey型コードを計画した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般的なネイタルキック速度を想定した場合、原始的二重星で形成された中性子星のうち、どれくらいの割合が球状星団に保持されるか？
• RQ2 47 Tucのような星団で観測された近接・再始動型二重電波パルサー集団は、動的形成プロセスによって再現可能か？
• RQ3 3体相互作用および動的硬化は、コンパクト二重星系の形成と生存にどのように影響するか？
• RQ4 原始的二重星系が有効なネイタルキック速度を低減させ、NS保持を促進する役割を果たすか？
• RQ5 一般的な球状星団において、動的プロセスによって生成されるNS-NS、NS-WD、およびWD-WD二重星の予想数はどの程度か？

主な発見

• 従来のネイタルキックモデルを想定した場合、原始的二重星で形成された中性子星の保持率は最大8%に達するが、これは観測された集団を説明するには不十分である可能性がある。
• 観測された二重星集団を十分に保持するには、中性子星の大部分（≥20%）が著しく低減されたキック（2〜3倍の低減）を伴って形成されている必要がある。
• 10⁶個の原始的二重星と10⁴個のNSを初期集団として設定したモデルでは、47 Tucのような星団で観測された多数の近接・再始動型二重電波パルサーを説得的に再現可能である。
• Rocheローブの溢出または現在の時刻に至るまでの二重星の平均動的相互作用回数は約25回であり、一部の二重星は100回を超える相互作用を経験している。
• 質量転送のピークは約3 Gyrに発生しており、多くの再始動パルサーが低質量X線連星（LMXB）ではなく中質量X線連星（IMXB）から起因していることが示唆され、『出生率問題』が解消される。
• 交換によってNSを獲得した2,000個の二重星のうち、約2/3が不安定な質量転送によりWD-NS二重星を形成するが、残りの1/3は安定な質量転送を経験する。また、多数のNS-NSおよびWD-WD二重星も形成されている。