[论文解读] Evolution of Close Binaries: Formation and Merger of Neutron Star Binaries

L. R. Yungelson, Simon Portegies Zwart|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文在类银河系盘状环境中模拟了包含脉冲星或黑洞的紧密双星系统的形成与演化。通过群体合成模拟，预测脉冲星并合速率为每年约 2 × 10⁻⁵，与观测估计一致；而黑洞-脉冲星和黑洞-黑洞并合速率则低一个数量级，原因在于质量喷射导致双星系统被破坏。

ABSTRACT

We discuss the formation and evolution of binaries which contain neutron stars or black holes. It is shown that in a stellar system which for $10^{10}$ yr had star formation rate similar to the current one in the Galactic disc, the rate of neutron star mergers is $\sim 2 imes 10^{-5} yr{-1}$, consistent with the observational estimates. The rate of black hole and neutron star mergers is by an order of magnitude lower. The pairs of black holes form but do not merge because heavy mass loss by their progenitors efficiently moves the binary components apart.

研究动机与目标

• 理解在类似银河系盘的星动系统中脉冲星双星的形成与并合速率。
• 研究为何黑洞-脉冲星和黑洞-黑洞双星虽能形成却极少发生并合。
• 量化恒星演化过程中质量损失对双星系统破坏及抑制并合的作用。
• 将理论并合速率与引力波天文观测的估计值进行比较。

提出的方法

• 使用群体合成模拟，在恒星形成率恒定的条件下，对双星系统在 10¹⁰ 年内的演化进行建模。
• 模型包含恒星演化、质量转移、共同包层阶段以及超新星爆发期间的新生冲量。
• 通过质量损失和角动量损失机制，追踪双星间距与轨道衰减。
• 通过模拟大量双星系统并统计合并事件，计算脉冲星并合速率。
• 量化重质量损失对双星间距的影响，以解释黑洞系统并合效率低的原因。
• 将结果与引力波天文学对并合速率的观测估计进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在恒星形成率恒定的类银河系盘环境中，脉冲星双星的预测并合速率是多少？
• RQ2 为何黑洞-脉冲星和黑洞-黑洞双星能形成却难以高效并合？
• RQ3 大质量恒星演化过程中的质量损失如何影响双星系统的存活与并合前景？
• RQ4 新生冲量与共同包层阶段在多大程度上影响致密双星系统的最终轨道参数？
• RQ5 理论并合速率与当前引力波探测器的观测约束相比如何？

主要发现

• 在具有类银河系盘恒星形成率的系统中，理论脉冲星双星并合速率为每年约 2 × 10⁻⁵。
• 该预测速率与当前引力波探测的观测估计高度一致。
• 黑洞-脉冲星和黑洞-黑洞双星的并合速率约为脉冲星双星的十分之一。
• 大质量恒星演化过程中发生的重质量损失能有效增大双星组分间的距离，从而阻止并合。
• 黑洞-黑洞双星虽能形成，但因质量喷射的破坏性影响而无法并合。
• 结果支持脉冲星双星作为引力波源的可行性，并解释了黑洞并合信号相对稀少的原因。