[论文解读] Formation of Compact Binaries in Globular Clusters

S. Rappaport, Eric Pfahl+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2001

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文通过群体合成研究了球状星团中中子星（NS）的保留与双星形成，表明原初双星可通过降低新生冲量而增强NS的保留，且10⁶个原初双星与10⁴个NS的群体可合理解释47 Tuc等星团中观测到的近距离、回收双星射电脉冲星的丰度。

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.

研究动机与目标

• 为解决球状星团中中子星保留问题，即高新生冲量速度本应使大多数NS被抛射出星团。
• 探究双星系统是否可通过降低形成过程中的有效反冲速度来增强NS保留。
• 通过模拟大群原初双星与NS在星团整个生命周期内的动力学演化，重现观测到的致密双星群体。
• 确定47 Tuc等星团中观测到的双星射电脉冲星数量是否可由动力学形成机制解释。
• 量化通过动力学相互作用形成的NS-NS、NS-WD及WD-WD双星的形成速率与最终群体数量。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛方法采样初始双星参数，包括主星质量（来自初始质量函数）与双星间距。
• 应用双星演化理论，将新生冲量速度建模为麦克斯韦分布（σ ≈ 190 km s⁻¹），以计算NS保留比例。
• 使用类似N体直接模拟的动力学方法，追踪10⁶个原初双星与10⁴个NS在整个星团生命周期中的演化，包括与场星及NS的三体相互作用。
• 利用基于相对速度与质量的截面，模拟所有相关动力学遭遇——交换、硬化与抛射。
• 追踪经历稳定与不稳定质量转移的双星演化过程，包括共同包层阶段，并将系统演化追踪至当前宇宙时相。
• 采用混合方法：对于不稳定质量转移，建模共同包层演化；对于稳定质量转移，计划未来使用预计算双星演化模型或Henyey型代码。

实验结果

研究问题

• RQ1 在典型新生冲量速度下，原初双星中形成的中子星在球状星团中的保留比例是多少？
• RQ2 47 Tuc等星团中观测到的近距离、回收双星射电脉冲星群体是否可由动力学形成过程重现？
• RQ3 三体相互作用与动力学硬化如何影响致密双星系统的形成与存活？
• RQ4 原初双星系统在降低有效新生冲量速度与增强NS保留中扮演何种角色？
• RQ5 在典型球状星团中，通过动力学过程形成的NS-NS、NS-WD及WD-WD双星的预期数量是多少？

主要发现

• 在常规新生冲量模型下，原初双星中形成的中子星保留比例最高可达8%，但此比例可能不足以解释观测到的群体。
• 必须有显著比例的中子星（≥20%）以大幅降低的冲量（降低2–3倍）形成，才能实现足够保留以解释观测到的双星群体。
• 当初始拥有10⁶个原初双星与10⁴个NS时，该模型可合理解释47 Tuc等星团中观测到的大量近距离、回收双星射电脉冲星。
• 在洛希瓣溢出或当前宇宙时相之前，每个双星平均经历约25次动力学相互作用，部分双星经历超过100次相互作用。
• 质量转移启动的峰值出现在约3 Gyr，表明许多回收脉冲星源自中等质量X射电源（IMXBs），而非低质量X射电源（LMXBs），从而解决了“出生率问题”。
• 在2,000个通过交换获得NS的双星中，约三分之二通过不稳定质量转移形成WD-NS双星，三分之一经历稳定质量转移；同时也有大量NS-NS与WD-WD双星形成。