[논문 리뷰] Origin and binary evolution of millisecond pulsars

F. D’Antona, M. Tailo|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀리초 펄서(MSPs)로 이르는 이중성의 진화 경로를 검토하며, 기여성 항성의 진화를 결정짓는 엑스선 및 라디오 복사의 역할을 강조한다. 이중성의 장기적 진화는 복사, 라디오 분출, 증발에 의해 이끌리며, 이는 궤도 주기 분포와 은하구성성단 내 높은 MSP 빈도를 설명한다.

ABSTRACT

We summarize the channels formation of neutron stars (NS) in single or binary evolution and the classic recycling scenario by which mass accretion by a donor companion accelerates old NS to millisecond pulsars (MSP). We consider the possible explanations and requirements for the high frequency of the MSP population in Globular Clusters. Basics of binary evolution are given, and the key concepts of systemic angular momentum losses are first discussed in the framework of the secular evolution of Cataclysmic Binaries. MSP binaries with compact companions represent end-points of previous evolution. In the class of systems characterized by short orbital period and low companion mass, we may instead be catching the recycling phase `in the act'. These systems are in fact either MSP, or low mass X--ray binaries (LMXB), some of which accreting X-ray MSP (AMXP), or even `transitional' systems from the accreting to the radio MSP stage. The donor structure is affected by irradiation due to X-rays from the accreting NS, or by the high fraction of MSP rotational energy loss emitted in the gamma rays range of the energy spectrum. X-ray irradiation leads to cyclic LMXB stages, causing super-Eddington mass transfer rates during the first phases of the companion evolution, and, possibly coupled with the angular momentum carried away by the non-accreted matter, helps to explain the high positive orbital period derivatives of some LMXB systems and account for the (apparently) different birthrates of LMXB and MSP. Irradiation by the MSP may be able to drive the donor to a stage in which either radio-ejection (in the redbacks) or mass loss due to the companion expansion, and `evaporation' may govern the evolution to the black widow stage and to the final disruption of the companion.

연구 동기 및 목표

• 은하구성성단(GCs) 내에서 관측된 높은 밀리초 펄서(MSPs) 빈도를 이중성 진화 메커니즘을 통해 설명하기 위해.
• 저질량 엑스선 이중성(LMXBs) 및 MSP 시스템에서 질량 전이 중 기여성 항성의 구조를 변화시키는 엑스선 및 MSP가 유도하는 복사의 역할을 분석하기 위해.
• 짧은 주기, 저질량 MSP 이중성의 진화 경로를 분석하기 위해, 레드백, 블랙위드로우, 전이 시스템을 포함한다.
• 복사에 의한 각운동량 손실과 순환 질량 전이의 영향을 고려하여, 관측된 LMXB 수와 MSP 수 사이의 괴리(이상)를 해소하기 위해.

제안 방법

• MSP 이중성 진화를 이해하기 위한 기준으로, 분화 이중성(CBs)의 장기적 진화 모델을 사용한다.
• 시스템 전체의 각운동량 손실, 특히 비흡착 물질과 중력파 방출을 포함한 이중성 진화 코드를 적용한다.
• 엑스선 및 감마선 복사에 의한 기여성 항성에 미치는 복사 효과를 모델링하며, 순환 LMXB 활동 기간 동안 초아인저 질량 전이 단계를 포함한다.
• 특히 레드백 및 블랙위드로우 시스템에서 라디오 분출 및 증발이 기여성 항성 질량 손실에 미치는 영향을 분석한다.
• 관측된 MSP 및 LMXB의 궤도 주기 분포를 이론적 진화 궤적과 비교하며, 분기 주기(P_bif)에 집중한다.
• 은하구성성단(GCs) 내 역학적 상호작용, 예를 들어 교환 충돌과 같은 상호작용이 MSP 형성과 이중성 파rameter 변화에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하구성성단(GCs) 내에서 MSP가 선호적으로 형성되는 이유는, 은하 내 질량 분율이 낮음에도 불구하고?
• RQ2 관측된 MSP 및 LMXB의 궤도 주기 분포, 특히 짧은 주기 시스템의 과잉 현상은 무엇에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 엑스선 및 MSP가 유도하는 복사 효과가, 가까운 이중성 내 저질량 기여성 항성의 구조와 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 라디오 분출 및 증발이, 특히 레드백 및 블랙위드로우 시스템에서, 질량 흡착 LMXB에서 라디오 MSP로의 전이에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 어떤 LMXB는 큰 양의 궤도 주기 변화율(Ṗ_orb)을 보이며, 이는 MSP 수가 LMXB 수보다 많다는 사실과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• 은하구성성단(GCs) 내 높은 MSP 빈도는 밀도가 높은 항성 환경과 관련이 있으며, 이는 중성자별의 재활용을 가능하게 하는 이중성 상호작용과 교환 충돌을 촉진한다.
• 엑스선 및 감마선 복사에 의한 복사는 LMXB에서 순환 질량 전이를 유도하며, 초아인저 흡착 단계를 초래하고, SAX J1808와 같은 시스템에서 관측된 양의 Ṗ_orb를 설명한다.
• 라디오 분출 및 증발은 레드백 및 블랙위드로우 시스템의 진화에서 핵심 메커니즘으로 작용하며, 더 긴 궤도 주기에서는 라디오 분출이 지배적이며, 더 짧은 주기에서는 증발이 지배적이다.
• 0.5일 이하의 주기에서 헬륨 화이트 왜성 동반성을 가진 시스템은, 기여성 항성이 주계열에서 이탈한 후 헬륨 핵을 형성한 레드백 유사 시스템에서 진화한 것으로 보인다.
• 분기 주기(P_bif)는 진화 경로를 결정하는 데 핵심적인 역할을 하며, 대부분의 짧은 주기, 저질량 MSP 시스템은 이 임계 주기 근처에서 질량 전이가 시작된 것으로 보인다.
• 흡착 단계와 라디오 MSP 단계 사이의 전이 시스템은 복사 주기로 인해 간헐적인 질량 전이에 의해 발생할 수 있으며, 일부 시스템은 기여성 항성의 진화 단계에 따라 더 짧거나 더 긴 궤도 주기로 진화한다.