[論文レビュー] Formation of millisecond pulsars. I. Evolution of low-mass X-ray binaries with P > 2 days

Thomas M. Tauris, G. J. Savonije|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 35

ひとこと要約

本稿は、2日以上の公軌道周期を有する低質量X線連星（LMXB）の詳細な数値シミュレーションを提示し、中性子星と1.0–2.0 M⊙の供給星を有する系の進化に焦点を当てている。質量移行率は初期公軌道周期と供給星質量に強く依存しており、広い系では深く発達した対流層によって超Eddington率に達する可能性がある。また、PSR J1603–7202は不安定な質量移行を経て進化し、ヘリウム白色矮星ではなくCO白色矮星を同伴している可能性があるという証拠が示された。

ABSTRACT

We have performed detailed numerical calculations of the non-conservative evolution of close binary systems with low-mass (1.0-2.0 M_sun) donor stars and a 1.3 M_sun accreting neutron star. Rather than using analytical expressions for simple polytropes, we calculated the thermal response of the donor star to mass loss, in order to determine the stability and follow the evolution of the mass transfer. Tidal spin-orbit interactions and Reimers wind mass-loss were also taken into account. We have re-calculated the correlation between orbital period and white dwarf mass in wide binary radio pulsar systems. Furthermore, we find an anti-correlation between orbital period and neutron star mass under the assumption of the "isotropic re-emission" model and compare this result with observations. We conclude that the accretion efficiency of neutron stars is rather low and that they eject a substantial fraction of the transferred material even when accreting at a sub-Eddington level. The mass-transfer rate is a strongly increasing function of initial orbital period and donor star mass. For relatively close systems with light donors (P < 10 days and M_2 < 1.3 M_sun) the mass-transfer rate is sub-Eddington, whereas it can be highly super-Eddington by a factor of 10^4 for wide systems with relatively heavy donor stars (1.6 - 2.0 M_sun) as a result of their deep convective envelopes. We briefly discuss the evolution of X-ray binaries with donor stars in excess of 2 M_sun. Based on our calculations we present evidence that PSR J1603-7202 evolved through a phase with unstable mass transfer from a relatively heavy donor star and therefore is likely to host a CO white dwarf companion.

研究の動機と目的

• 公軌道周期が2日を超える低質量X線連星（LMXB）の非保存的進化をモデル化すること。特に中性子星と1.0–2.0 M⊙の供給星を有する系に焦点を当てる。
• 質量移行中の供給星の安定性と熱的応答を、潮汐的スピン-軌道結合とReimersの風質量損失を考慮して調査すること。
• 更新された星間進化および連星相互作用の物理に基づいて、二重ミリ秒パルサーにおける観測された（P_orb, M_WD）相関を再評価すること。
• 中性子星の降着効率を評価し、観測された公軌道周期と中性子星質量の逆相関が理論的モデルと整合するかどうかを検証すること。
• 供給星質量が2 M⊙を超える系の進化経路を検討し、特に共通エンvelope進化と最終的な白色矮星組成との関係を明らかにすること。

提案手法

• 供給星の質量損失に伴う熱的応答をモデル化するため、Eggletonのアルゴリズムに基づく数値的星間進化コードを用い、簡易的な多項式近似を置き換えた。
• 供給星の赤色巨星段階における、潮汐的スピン-軌道結合とReimersの風質量損失を組み込み、連星進化の現実性を向上させた。
• 予想される公軌道周期と中性子星質量の逆相関を計算するために「等方的再放射」モデルを用い、予測と観測結果を比較した。
• 初期公軌道周期と供給星質量に応じた質量移行率の変化を追跡し、どの条件下で移行率が超Eddingtonに達するかを特定した。
• 供給星質量が2 M⊙を超える系の質量移行安定性を分析し、動的質量損失と共通エンvelope進化に起因する傾向があると結論付けた。
• 質量関数の制約と軌道パラメータを用いて、PSR J1603–7202の進化歴を評価し、白色矮星同伴星の種別を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公軌道周期が2日を超えるLMXBにおいて、供給星質量と初期公軌道周期が、質量移行の安定性と移行率に果たす役割は何か？
• RQ2 潮汐的スピン-軌道結合と風質量損失は、赤色巨星段階における低質量X線連星の進化にどのように影響するか？
• RQ3 二重ミリ秒パルサーにおける観測された（P_orb, M_WD）相関は、詳細な連星進化モデルからの理論的予測とどの程度整合するか？
• RQ4 PSR J1603–7202の中性子星質量が、ヘリウム白色矮星同伴星を有する他の系と比べて顕著に小さいのはなぜか？ これはその進化歴にどのような意味を持つのか？
• RQ5 供給星質量が2 M⊙を超える系は、安定な質量移行を経験できるか、それとも本質的に共通エンvelope進化に起因する傾向にあるのか？

主な発見

• LMXBにおける質量移行率は、初期公軌道周期と供給星質量に強く依存しており、供給星質量が1.6–2.0 M⊙の広い系では、Eddington限界のおよそ10⁴倍に達する可能性がある。
• 供給星質量が1.6–2.0 M⊙でP_orb > 2日である系では、深く発達した対流層により超Eddington質量移行が生じ、不安定な質量移行とおそらく共通エンvelope進化に至ると考えられる。
• 二重ミリ秒パルサーにおける観測された（P_orb, M_WD）相関は、改善された入力物理に基づき再計算され、過去の研究と比較して、同一公軌道周期における白色矮星質量が高めに評価された。
• 降着された物質の顕著な割合がLMXBから放出されており、降着効率が低いことが示唆される。これは、ディスク不安定性やプロペラ効果によるものと考えられ、予想されるP_orbとM_NSの逆相関が曇る要因となる可能性がある。
• PSR J1603–7202は、不安定な質量移行段階を経て進化した可能性が高く、ヘリウム白色矮星ではなくCO白色矮星を同伴していると結論される。これは、中性子星質量が低く、（P, Ṗ）図における特異な位置に位置するという事実に基づく。
• 供給星質量が2 M⊙を超える連星系は、動的質量損失に対して不安定であり、共通エンvelope進化を経て、COまたはO-Ne-Mg白色矮星同伴星を有する短周期二重ミリ秒パルサーに進化すると予想される。