[论文解读] Angular Momentum Loss by Magnetic Braking and Gravitational Radiation in Relativistic Binary Stars

K. Yakut, B. Kalomeni+1 more|ArXiv.org|Nov 4, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文通过磁致减速（MSW）和引力辐射（GR）两种机制，利用HMXRBs、LMXRBs及双白矮星系统的观测数据，研究了相对论性双星系统的角动量损失（AML）。推导并比较了AML timescales，发现短周期系统中GR占主导，而质量不等的双星系统中，特别是含晚型星的系统，MSW更为高效。

ABSTRACT

Angular momentum loss (AML) mechanisms and dynamical evolution owing to magnetic braking and gravitational radiation in relativistic binary stars (RBS) are studied with use of physical parameters collected from the literature. We have calculated and compared AML time scales for the RBS with non-degenerate components and double degenerate (DD) systems.

研究动机与目标

• 分析相对论性双星中角动量损失（AML）机制，特别是磁致减速（MSW）和引力辐射（GR）的作用。
• 确定在不同双星系统中，通过磁致减速（MSW）和引力辐射（GR）实现AML的相对效率。
• 比较包含黑洞、中子星和白矮星成分的双星系统中AML时间尺度的差异。
• 利用观测数据评估这些AML机制对相对论性双星动力学演化的影响。
• 识别GR或MSW在何种条件下主导AML，尤其关注轨道周期、质量比和组分类型的关系。

提出的方法

• 从文献中收集了132个相对论性双星系统的物理参数（质量、半径、周期、偏心率），包括HMXRBs、LMXRBs和双白矮星系统。
• 利用Skumanich关系和MSW模型估算通过磁化恒星风造成的角动量损失：$ (dH/dt)_{\text{MSW}} = -1.6 \times 10^{-30} M_2 R_2^4 \omega^3 $。
• 应用广义相对论方程计算引力波驱动的AML：$ (dH/dt)_{\text{GR}} = -3.44 \times 10^{44} (M_1 M_2 M^{-1/3})^2 P^{-7/3} f(e) $。
• 利用推导出的方程计算AML时间尺度：$ \tau_{\text{MSW}} \propto (M/M_\odot)^{2/3} (R_2/R_\odot)^{-4} P^{10/3} (1+q)^{-1} (1-e^2)^{1/2} $ 和 $ \tau_{\text{GR}} \propto P^{8/3} $。
• 采用Eggleton的Roche瓣半径公式，以及针对 $ M_2 \leq 0.5 M_\odot $ 和 $ 0.5 M_\odot < M_2 \leq 1.5 M_\odot $ 的恒星质量-半径关系来估算半径。
• 绘制不同系统中对数AML时间尺度与轨道周期的关系图，以比较GR与MSW在不同类型双星中的主导作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相对论性双星系统中，磁致减速与引力辐射在角动量损失效率方面如何比较？
• RQ2 AML时间尺度如何依赖于轨道周期、质量比和组分类型（白矮星、中子星、黑洞）？
• RQ3 在哪些系统中引力辐射主导于磁致减速，反之亦然？
• RQ4 不同双星亚型（如HMXRBs、LMXRBs、DD系统）之间的AML时间尺度如何比较？
• RQ5 质量-半径关系和Roche瓣溢出在估算密近双星中通过磁致减速实现AML时起什么作用？

主要发现

• 在短周期双白矮星系统中，引力辐射主导角动量损失，尤其在含白矮星或中子星组分的系统中。
• 磁致减速的AML时间尺度与 $ \tau_{\text{MSW}} \propto P^{10/3} $ 成正比，表明其在轨道周期较长的系统中最为有效。
• 在质量比不等的系统中（q ≪ 1），磁致减速效率显著提高，AML时间尺度因 (1+q)⁻¹ 因子而缩短。
• 引力辐射的AML时间尺度为 $ \tau_{\text{GR}} \approx 376.4 \, q^{-1} (1+q)^2 M^{-5/3} P^{8/3} (1-e^2)^{3/2} (1 + \frac{7}{4}e^2)^{-1} $ Gyr，显示出对周期和质量的强依赖性。
• 在含黑洞或中子星伴星的系统中，当轨道周期低于约1天时，引力辐射是主导的AML机制。
• 本研究证实了最大中子星质量（约2.4 M⊙）与最小黑洞质量（约4 M⊙）之间存在一个质量间隙，表明致密天体形成过程中存在质量间隙。