[논문 리뷰] Formation of millisecond pulsars. I. Evolution of low-mass X-ray binaries with P > 2 days

Thomas M. Tauris, G. J. Savonije|arXiv (Cornell University)|1999. 09. 08.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 궤도 주기가 2일 초과인 저질량 X선 연성성우성계(LMXBs)의 정밀한 수치 시뮬레이션을 제시하며, 중성자성우성과 1.0–2.0 M⊙의 공급성우성을 가진 시스템의 진화에 초점을 맞춘다. 질량 전이율은 초기 궤도 주기와 공급성우성 질량에 크게 의존하며, 깊은 대류층을 가진 넓은 시스템에서는 초-Eddington 전이율이 가능하다. 또한 PSR J1603–7202는 불안정한 질량 전이를 거쳐왔으며 헬륨 백색왜성보다는 CO 백색왜성 연성우성을 가졌을 가능성이 높다는 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We have performed detailed numerical calculations of the non-conservative evolution of close binary systems with low-mass (1.0-2.0 M_sun) donor stars and a 1.3 M_sun accreting neutron star. Rather than using analytical expressions for simple polytropes, we calculated the thermal response of the donor star to mass loss, in order to determine the stability and follow the evolution of the mass transfer. Tidal spin-orbit interactions and Reimers wind mass-loss were also taken into account. We have re-calculated the correlation between orbital period and white dwarf mass in wide binary radio pulsar systems. Furthermore, we find an anti-correlation between orbital period and neutron star mass under the assumption of the "isotropic re-emission" model and compare this result with observations. We conclude that the accretion efficiency of neutron stars is rather low and that they eject a substantial fraction of the transferred material even when accreting at a sub-Eddington level. The mass-transfer rate is a strongly increasing function of initial orbital period and donor star mass. For relatively close systems with light donors (P < 10 days and M_2 < 1.3 M_sun) the mass-transfer rate is sub-Eddington, whereas it can be highly super-Eddington by a factor of 10^4 for wide systems with relatively heavy donor stars (1.6 - 2.0 M_sun) as a result of their deep convective envelopes. We briefly discuss the evolution of X-ray binaries with donor stars in excess of 2 M_sun. Based on our calculations we present evidence that PSR J1603-7202 evolved through a phase with unstable mass transfer from a relatively heavy donor star and therefore is likely to host a CO white dwarf companion.

연구 동기 및 목표

• 궤도 주기가 2일 초과인 저질량 X선 연성우성계(LMXBs)의 비보존적 진화를 모델링하며, 중성자성우성과 1.0–2.0 M⊙의 공급성우성을 가진 시스템에 집중한다.
• 질량 전이 중 공급성우성의 안정성과 열적 반응을 타원도 및 Reimers 풍속 질량 손실을 고려하여 분석한다.
• 업데이트된 별진화 및 이중성계 상호작용 물리 법칙을 적용하여 관측된 (P_orb, M_WD) 상관관계를 재평가한다.
• 중성자성우성의 질량 적축 효율성을 평가하고, 관측된 궤도 주기와 중성자성우성 질량 간의 반비례 관계가 이론 모델과 일치하는지 확인한다.
• 공급성우성 질량이 2 M⊙를 초과하는 시스템의 진화 경로를 분석하며, 특히 공통-envelope 진화와 최종 백색왜성 조성과의 관련성을 고려한다.

제안 방법

• Eggleton의 알고리즘을 기반으로 한 수치적 별진화 코드를 사용하여, 단순한 다항근 근사치를 대체하는 공급성우성의 열적 반응을 모델링한다.
• 공급성우성의 적색거대분기 동안 타원도 및 Reimers 풍속 질량 손실을 통합하여 이중성계 진화의 현실성과 정확성을 향상시킨다.
• 등방성 재방출 모델을 사용하여 궤도 주기와 중성자성우성 질량 간의 예상 반비례 관계를 계산하고 관측 결과와 비교한다.
• 초기 궤도 주기와 공급성우성 질량에 따른 질량 전이율을 추적하여 초-Eddington 전이율이 발생하는 조건을 규명한다.
• 2 M⊙를 초과하는 공급성우성을 가진 시스템에서의 질량 전이 안정성을 분석하여, 동역학적 질량 손실과 공통-envelope 진화에 취약하다는 결론을 내린다.
• 질량 함수 제약 조건과 궤도 파rameters를 활용하여 PSR J1603–7202의 진화력사를 평가하고, 그 백색왜성 연성우성의 유형을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 궤도 주기가 2일 초과인 LMXBs에서 질량 전이의 안정성과 전이율을 결정하는 데 있어 공급성우성 질량과 초기 궤도 주기의 역할은 무엇인가?
• RQ2 타원도 및 풍속 질량 손실은 적색거대분기 동안 저질량 X선 연성우성계의 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이중 밀리초 펄서에서 관측된 (P_orb, M_WD) 상관관계가 세밀한 이중성계 진화 모델의 이론적 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 PSR J1603–7202의 중성자성우성 질량이 헬륨 백색왜성 연성우성을 가진 다른 시스템보다 현저히 낮은 이유는 무엇이며, 이는 그 진화력사에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 공급성우성 질량이 2 M⊙를 초과하는 시스템은 안정적인 질량 전이를 겪을 수 있는가, 아니면 본질적으로 공통-envelope 진화에 취약한가?

주요 결과

• LMXBs의 질량 전이율은 초기 궤도 주기와 공급성우성 질량에 따라 강하게 증가하며, 공급성우성이 1.6–2.0 M⊙이고 궤도 주기가 넓은 시스템에서는 전이율이 최대 약 10⁴ 배 Eddington 한계에 도달할 수 있다.
• 공급성우성이 1.6–2.0 M⊙이고 P_orb > 2일인 시스템는 깊은 대류층으로 인해 초-Eddington 질량 전이를 경험하며, 이는 불안정한 질량 전이와 공통-envelope 진화로 이어질 가능성이 높다.
• 이중 밀리초 펄서에서 관측된 (P_orb, M_WD) 상관관계는 개선된 입력 물리 법칙으로 인해 이전 연구보다 주어진 궤도 주기에서 더 높은 백색왜성 질량을 산출하게 되었다.
• 흡수된 물질의 상당 부분이 LMXBs에서 탈출하여 낮은 질량 적축 효율을 나타내며, 이는 디스크 불안정성 또는 프로펠러 효과로 인한 것으로 보이며, 이는 P_orb와 M_NS 간의 기대되는 반비례 관계를 가리킬 수 있다.
• PSR J1603–7202는 불안정한 질량 전이 단계를 거쳐왔고, 헬륨 백색왜성보다는 CO 백색왜성 연성우성을 가졌을 가능성이 높으며, 이는 낮은 중성자성우성 질량과 (P, Ṗ)도에서 이례적인 위치에서 유추된다.
• 공급성우성 질량이 2 M⊙를 초과하는 이중성계는 동역학적 질량 전이에 취약하며, 공통-envelope 진화를 통해 CO 또는 O-Ne-Mg 백색왜성 연성우성을 가진 단주기 이중 밀리초 펄서로 진화할 것으로 예측된다.