[论文解读] Population synthesis of neutron star X-ray binaries associated with supernova remnants

Zepei Xing, Xiang‐Dong Li|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 67被引用 3

一句话总结

本研究利用双星群体合成（BPS）模拟中子星X射线双星（NS XRBs）在超新星遗迹（SNRs）中的形成与演化，重点关注主序星、Be星和超巨星作为伴星的系统。研究发现BeXRBs在该群体中占主导地位，其估计形成速率分别为1.30 × 10⁻⁴ yr⁻¹（σₖ,CCS = 150 km s⁻¹）；结果表明，此类系统可在SNRs的短寿命期内形成，挑战了以往关于吸积过程延迟开始的假设。

ABSTRACT

Neutron star X-ray binaries (NS XRBs) associated with supernova remnants (SNRs) are the youngest X-ray binaries that can provide insights into the early evolution of X-ray binaries and the formation properties of neutron stars. There are an increasing number of NS XRBs discovered to be harbored in SNRs in our and nearby galaxies. In this work, we perform binary population synthesis calculations to simulate the population of NS XRBs associated with SNRs for different types of companions, including Roche-lobe overfilling main-sequence stars, Be stars and supergiants. We estimate their birthrates and present the distributions of orbital parameters and companion mass for each type of companions. Our calculations show that the majority of them are Be X-ray binaries (BeXRBs) and that a few BeXRBs are expected to be associated with SNRs in a Milky Way-type galaxy.

研究动机与目标

• 理解与超新星遗迹（SNRs）相关的中子星X射线双星（NS XRBs）的形成与演化路径，这些系统是迄今最年轻的XRBs之一。
• 确定在银河系类星系中，不同伴星类型（主序星、Be星、超巨星）的NS XRBs的形成速率与群体特性。
• 评估这些系统的可探测性与观测可行性，尤其考虑到近期发现的与SNRs相关的NS XRBs。
• 检验中子星形成后是否能立即发生质量转移，从而挑战传统观点——即吸积仅在SNR消退后才开始。

提出的方法

• 采用双星群体合成（BPS）模拟，研究不同伴星类型在双星系统中形成与演化NS XRBs的过程。
• 追踪通过核心塌缩超新星（CCSNe）形成中子星、且伴星为中子星主序星、Be星或超巨星的系统。
• 引入退火速度（σₖ,CCS = 150 和 300 km s⁻¹）以模拟中子星形成时的新生冲量及其对轨道参数的影响。
• 利用粘性 timescale 和洛希瓣溢出标准评估质量转移的稳定性，区分稳定与周期性吸积。
• 采用超新星喷射物能量沉积模型，评估伴星受热与膨胀情况，尤其针对主序星。
• 计算每类伴星类型的形成速率及轨道参数分布（周期、偏心率、伴星质量）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系类星系中，与超新星遗迹相关的中子星X射线双星的预期形成速率是多少？
• RQ2 NS XRBs中，主序星、Be星和超巨星作为伴星的系统在轨道参数与伴星质量分布上存在何种差异？
• RQ3 中子星形成后是否能立即发生质量转移，从而与超新星遗迹的短寿命相一致？
• RQ4 这些系统中有多大比例经历稳定或周期性质量转移，这对它们的可探测性有何影响？
• RQ5 为何BeXRBs比其他类型的XRBs更常与SNRs相关联？这对它们的形成路径有何启示？

主要发现

• BeXRBs在与SNRs相关的NS XRBs群体中占主导地位，其估计形成速率分别为1.30 × 10⁻⁴ yr⁻¹（σₖ,CCS = 150 km s⁻¹）和4.70 × 10⁻⁵ yr⁻¹（σₖ,CCS = 300 km s⁻¹）。
• NS-主序星洛希瓣溢出XRBs的形成速率较低（σₖ,CCS = 150 km s⁻¹时为9.83 × 10⁻⁶ yr⁻¹），且其中少于10%预计会表现出周期性质量转移。
• 超巨星X射线双星（SGXBs）的形成速率较低（σₖ,CCS = 150 km s⁻¹时为3.54 × 10⁻⁶ yr⁻¹），其形成源于初始质量相近的双星系统，其中次星在10⁵ yr内离开主序。
• 绝大多数NS XRBs中，主序星伴星在中子星形成后不久即经历稳定质量转移，且在大多数情况下粘性timescale长于轨道周期。
• 超新星喷射物对伴星的加热不足以引起低质量主序星的显著膨胀，限制了其在SNR寿命内填满洛希瓣的能力。
• 像SXP 1062、SXP 1323和XMMU J050722.1-684758这类年轻NS XRBs与SNRs的观测关联，与BPS预测一致，支持在SNR timescales内实现早期吸积开始。