[논문 리뷰] Formation of Compact Binaries in Globular Clusters

S. Rappaport, Eric Pfahl외 2명|arXiv (Cornell University)|2001. 01. 30.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 구형별개구리에서 중성자별(NS)의 보존과 이중성 formation에 관한 두 가지 인구합성 연구를 제시하며, 초기 이중성의 존재가 난방 힘을 감소시켜 NS 보존을 증가시킨다는 것을 보여주고, 10⁶개의 초기 이중성과 10⁴개의 NS로 구성된 인구가 47 Tuc과 같은 은하단에서 관측된 밀도 높은 재활성화된 이중성 라디오파ulsar의 수를 설명할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 높은 난방 힘 속도로 대부분의 NS가 탈출해야 하는 것으로 예상되는 구형별개구리에서 중성자별 보존 문제를 해결하기 위해.
• 이중성 시스템이 형성 과정 중에 효과적인 반동 속도를 감소시켜 NS 보존을 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 은하단 수명 동안 대규모의 초기 이중성과 NS의 천체역학적 진화를 시뮬레이션하여 관측된 밀집 이중성 인구를 재현하기 위해.
• 47 Tuc과 같은 은하단에서 관측된 이중성 라디오파ulsar의 수를 천체역학적 형성 메커니즘으로 설명할 수 있는지 판단하기 위해.
• 천체역학적 상호작용을 통해 형성된 NS-NS, NS-WD, WD-WD 이중성의 형성 비율과 최종 인구를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 초기 이중성 매개변수를 샘플링하기 위해 몬테카를로 방법을 사용하였으며, 이중성의 주성분 질량은 初기 질량 함수로부터, 이중성 간격은 별도로 고려하였다.
• 난방 힘 속도를 맥스웰 분포(σ ≈ 190 km s⁻¹)로 모델링한 이중성 별진화 이론을 적용하여 NS 보존 비율을 계산하였다.
• 직접 N-body 스타일의 천체역학을 사용하여 10⁶개의 초기 이중성과 10⁴개의 NS를 은하단 수명 전체 동안 추적하였으며, 현장 성간 물체와 NS와의 3체 상호작용도 포함하였다.
• 상대 속도와 질량에 기반한 단면적을 사용하여 모든 관련 천체역학적 만남—교환, 경화, 탈출—을 시뮬레이션하였다.
• 안정적이고 불안정적인 질량 전이 과정(공통 막대기 단계 포함)을 수반하는 이중성의 진화를 따라가며, 현재 시점까지의 진화를 추적하였다.
• 하이브리드 접근법을 사용하였으며, 불안정한 질량 전이의 경우 공통 막대기 진화를 모델링하였고, 안정적인 질량 전이의 경우 향후 사용을 위해 사전 계산된 이중성 진화 모델 또는 Henyey 유형의 코드를 계획하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 난방 힘 속도를 가정할 때, 초기 이중성에서 태어난 중성자별 중 얼마나 많은 비율이 구형별개구리에 보존되는가?
• RQ2 47 Tuc과 같은 은하단에서 관측된 밀집된 재활성화된 이중성 라디오파ulsar 인구는 천체역학적 형성 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 3체 상호작용과 천체역학적 경화는 밀집 이중성 시스템의 형성과 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 초기 이중성 시스템이 효과적인 난방 힘 속도를 감소시키고 NS 보존을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 일반적인 구형별개구리에서 천체역학적 과정을 통해 형성된 NS-NS, NS-WD, WD-WD 이중성의 기대 수는 얼마인가?

주요 결과

• 기본적인 난방 힘 모델을 적용할 경우, 초기 이중성에서 태어난 중성자별의 보존 비율은 최대 8%에 이르지만, 이는 관측된 인구를 설명하기에는 부족할 수 있다.
• 관측된 이중성 인구를 충족시키기 위해 상당한 비율의 중성자별(≥20%)이 훨씬 감소된 난방 힘(2–3배 감소)을 가진 채로 태어나야 한다.
• 초기 10⁶개의 이중성과 10⁴개의 NS로 구성된 인구를 가진 모델은 47 Tuc과 같은 은하단에서 관측된 많은 수의 밀집된 재활성화된 이중성 라디오파ulsar를 설명할 수 있다.
• 이중성이 로치-로브 넘어서기 전이나 현재 시점까지 평균적으로 약 25회의 천체역학적 상호작용을 겪으며, 일부 이중성의 경우 100회 이상의 상호작용을 겪기도 한다.
• 질량 전이의 피크 발생 시점은 약 3 Gyr이며, 이는 많은 재활성화된 파ulsar가 저질량 X선 이중성(LMXB)이 아닌 중간질량 X선 이중성(IMXB)에서 기인했음을 시사하며, '태생률 문제'를 해결한다.
• 교환 과정을 통해 NS를 획득한 2,000개의 이중성 중 약 2/3는 불안정한 질량 전이를 통해 WD-NS 이중성을 형성하고, 나머지 1/3은 안정적인 질량 전이를 겪으며, 상당수의 NS-NS 및 WD-WD 이중성도 동반하여 형성된다.