[論文レビュー] Origin and binary evolution of millisecond pulsars

F. D’Antona, M. Tailo|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ミリ秒パulsar (MSP) に至る二重星の進化経路をレビューし、X線および電波放射による照射が寄与する供給星の進化を強調している。照射、電波噴出、蒸発が短周期MSP系の長期的進化を駆動すると提唱し、観測された公転周期分布と球状銀河団におけるMSPの高い頻度を説明している。

ABSTRACT

We summarize the channels formation of neutron stars (NS) in single or binary evolution and the classic recycling scenario by which mass accretion by a donor companion accelerates old NS to millisecond pulsars (MSP). We consider the possible explanations and requirements for the high frequency of the MSP population in Globular Clusters. Basics of binary evolution are given, and the key concepts of systemic angular momentum losses are first discussed in the framework of the secular evolution of Cataclysmic Binaries. MSP binaries with compact companions represent end-points of previous evolution. In the class of systems characterized by short orbital period and low companion mass, we may instead be catching the recycling phase `in the act'. These systems are in fact either MSP, or low mass X--ray binaries (LMXB), some of which accreting X-ray MSP (AMXP), or even `transitional' systems from the accreting to the radio MSP stage. The donor structure is affected by irradiation due to X-rays from the accreting NS, or by the high fraction of MSP rotational energy loss emitted in the gamma rays range of the energy spectrum. X-ray irradiation leads to cyclic LMXB stages, causing super-Eddington mass transfer rates during the first phases of the companion evolution, and, possibly coupled with the angular momentum carried away by the non-accreted matter, helps to explain the high positive orbital period derivatives of some LMXB systems and account for the (apparently) different birthrates of LMXB and MSP. Irradiation by the MSP may be able to drive the donor to a stage in which either radio-ejection (in the redbacks) or mass loss due to the companion expansion, and `evaporation' may govern the evolution to the black widow stage and to the final disruption of the companion.

研究の動機と目的

• 銀河における質量分率が低いにもかかわらず、球状銀河団 (GCs) で観測されるミリ秒パulsar (MSP) の高い頻度を、二重星進化メカニズムによって説明すること。
• 低質量X線連星 (LMXBs) やMSP系における質量転送中、X線およびMSP駆動の照射が供給星の構造に与える影響を分析すること。
• 短周期・低質量MSP二重星の進化経路、特にレッドバック、ブラックウィドウ、遷移的系を調査すること。
• 照射に起因する角運動量損失と周期的質量転送を検討することで、観測されたLMXBとMSPの数の差異を解明すること。

提案手法

• MSP二重星進化を理解するためのベンチマークとして、爆発的変光星 (CBs) の長期的進化モデルを用いる。
• システム全体の角運動量損失、特に非吸着物質と重力波放出による損失を組み込んだ二重星進化コードを適用する。
• X線およびγ線放射による照射効果を、周期的LMXB活動中の超Eddington質量転送段階を含めて、供給星にモデル化する。
• 特にレッドバックおよびブラックウィドウ系において、電波噴出と蒸発が供給星の質量損失に与える影響を分析する。
• 観測されたMSPおよびLMXBの公転周期分布を理論的進化軌道と比較し、分岐周期 (P_bif) に注目する。
• 交換衝突などの動的相互作用が、球状銀河団内でのMSP形成を促進し、二重星パラメータを変化させる役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ、銀河全体の質量分率が低いにもかかわらず、ミリ秒パulsarは球状銀河団に偏って形成されるのか？
• RQ2 観測されたMSPおよびLMXBの公転周期分布、特に短周期系の過剰な頻度を説明するメカニズムは何か？
• RQ3 X線およびMSP駆動の照射が、近接した二重星における低質量供給星の構造と進化にどのように影響を与えるか？
• RQ4 電波噴出と蒸発が、吸着中のLMXBから電波MSPへの移行、特にレッドバックおよびブラックウィドウ系において果たす役割は何か？
• RQ5 一部のLMXBで観測される大きな正の公転周期変化率 (Ṗ_orb) はなぜ生じるのか？また、LMXBの数がMSPの数を上回るという事実とどのように整合するのか？

主な発見

• 球状銀河団におけるMSPの高い頻度は、星の密度の高い環境に起因し、二重星相互作用や交換衝突が中性子星のリサイクルを可能にする。
• X線およびγ線放射による照射は、LMXBにおける周期的質量転送を駆動し、超Eddington吸着段階を引き起こし、SAX J1808のような系で観測された正のṖ_orbを説明できる。
• 電波噴出と蒸発は、レッドバックおよびブラックウィドウ系の進化において主要なメカニズムであり、長い公転周期では電波噴出が支配的で、短い周期では蒸発が支配的である。
• 0.5日未満の公転周期を持つヘリウム白色矮星を伴う系は、供給星が主系列を離脱しヘリウムコアを形成した後、質量転送を開始したレッドバック様の系から進化した可能性が高い。
• 分岐周期 (P_bif) は進化経路を決定づける主要要因であり、短周期・低質量MSP系の多くがこの臨界周期付近で質量転送を開始したと考えられる。
• 吸着状態と電波MSP状態の間の遷移的系は、照射サイクルに起因する間歇的質量転送によって生じる可能性があり、供給星の進化段階に応じて公転周期が短くなるか長くなるかが異なる。