[論文レビュー] Physics of Binary Star Evolution -- from Stars to X-ray Binaries and Gravitational Wave Sources

Thomas M. Tauris, E. P. J. van den Heuvel|arXiv (Cornell University)|May 16, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 17被引用数 45

ひとこと要約

基礎物理学から X 線バイナリの形成、重力波源へと至る二重星進化を網羅的に辿り、理論と観測および将来の調査を結びつける教科書。

ABSTRACT

The majority of all stars are members of a binary system. The evolution of such binary stars and their subsequent production of pairs of compact objects in tight orbits, such as double neutron stars and double black holes, play a central role in modern astrophysics, Binary evolution leads to the formation of different types of violent cosmic events such as novae, supernova explosions, gamma-ray bursts, mass transfer and accretion processes in X-ray binaries, and the formation of exotic radio millisecond pulsars. In some cases, the binary systems terminate as spectacular collisions between neutron stars and/or black holes. These collisions lead to powerful emission of gravitational waves, as detected by LIGO since 2015. The coming decade is expected to reveal a large number of discoveries of binary compact systems, as well as their progenitors and merger remnants, from major instruments such as the radio Square-Kilometre Array; the gravitational wave observatories LIGO-Virgo-KAGRA-IndIGO and LISA; the astrometric space observatory Gaia; the James Webb Space Telescope; and the X-ray space observatories eXTP, STROBE-X, and Athena. In this light, it is important to have a modern textbook on the physics of binary stars evolution, from ordinary stars to X-ray binaries and gravitational wave sources. The scope of this book is that the reader (student or educated expert) will learn the physics of binary interactions, from stellar birth to compact objects, and relate this knowledge to the latest observations. The reader will learn about stellar structure and evolution, and detailed binary interactions covering a broad range of phenomena, including mass transfer and orbital evolution, formation and accretion onto compact objects (white dwarfs, neutron stars and black holes), and their observational properties. Exercises are provided throughout the book.

研究の動機と目的

• 二重星進化が多くの天体物理現象（X線源、超新星、パルサー、重力波）にとって中心的である理由を説明する。
• 質量移動、ロッシュポテンシャル、共通包絡、軌道進化を含む二重星相互作用の物理的枠組みを構築する。
• 非縮退、白色矮星、X線連星などの観測連星と、中性子星（NSs）やブラックホール（BHs）などのコンパクト天体の形成に理論モデルを結びつける。
• 巨大連星から二重コンパクト天体とその合体への経路を示し、重力波天文学への影響を含む。
• 二重星母集団合成と統計手法を導入し、理論と観測連星集合を結びつける。

提案手法

• 二重星進化の歴史的背景と物理的基盤を提供する。
• ロッシュ等ポテンシャル、質量移動の安定性、移動および喪失による軌道変化を導出・議論する。
• 観測連星を分類し、吸積、円盤、風、潮汐進化の物理を詳述する。
• 単星からNS/BH残骸を持つ連星への進化経路と共通包絡の役割を分析する。
• X線連星とパルサーの観測診断法を説明し、それらが理論をどのように制約するかを示す。
• 母集団合成アプローチの概要と、経験的推定と理論的合体率推定の比較を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量移動、角運動量損失など、二重星相互作用を駆動する主要な物理過程は何で、それらは二重星進化をどのように形作るのか。
• RQ2 X線連星、二重中性子星、二重ブラックホールの形成経路は何か、キックと質量移動が結果にどう影響するか。
• RQ3 X線連星、パルサー、超新星の観測は二重星進化モデルにどのように情報を提供するのか。
• RQ4 合体率と分布を予測する際の二重星母集団合成の手法と限界は何か。
• RQ5 今後の施設（例：SKA、LISA、Athena）が二重星進化と重力波源の理解をどのように進展させるか。

主な発見

• 二重星進化は、X線連星、超新星、重力波源を含む幅広い天体物理現象にとって不可欠である。
• 二重星相互作用は保守的である場合もあれば高度に非保守的で、質量と軌道パラメータを大きく変える。
• X線連星とミリ秒パルサーの観測は、中性子星・ブラックホールの質量と二重星進化経路に関する重要な制約を提供する。
• 二重コンパクト天体合体（DNS, DBH）は巨大連星進化の自然な結果であり、場合によっては電磁波対応を伴う主要な重力波源である。
• 三重以上の連星、星団内のダイナミクス、出生キックは、コンパクト天体連星の形成と生存に重大な影響を与える。