[论文解读] Binary evolution and neutron stars in globular clusters

F. Verbunt|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文认为，在致密球状星团核心区域的恒星近距离相遇是形成脉冲星双星系统和回收脉冲星的主要机制，X射线与射电观测通过形成率与星团核心密度和半径的关联性支持了这一观点。关键发现表明，低光度X射线源（很可能是吸积中子星）的数量远超高光度源，且脉冲星轨道周期与伴星质量特征指向潮汐捕获是致密星团中占主导地位的形成途径。

ABSTRACT

Improved observations of globular clusters are uncovering a large number of radio pulsars and of X-ray sources. The latter include binaries in which a neutron star or a white dwarf accretes matter from a companion, recycled pulsars, and magnetically active binaries. Most of these sources originate from close encounters between stars in the cluster core; magnetically active binaries and some cataclysmic variables have evolved from primordial binaries. The formation rate through close encounters scales differently with the central density and core radius of the cluster than the probability for a single binary to be perturbed by an encounter. This is exploited in some preliminary observational tests of the close encounter hypothesis. Accreting black holes have been found in globular clusters with other galaxies; the absence of such holes in the Milky Way clusters is compatible with the small number expected.

研究动机与目标

• 确定球状星团中中子星双星与回收脉冲星的主导形成机制。
• 检验近距离恒星相遇（而非原初双星演化）是否能解释致密星团中X射线与射电源的过量现象。
• 研究星团核心密度与核心半径在塑造观测到的X射线与脉冲星源分布中的作用。
• 比较银河系球状星团中X射线源的特性与其它星系中星团的差异，特别是吸积黑洞的存在情况。
• 评估不同双星类型（如激变变星、RS CVn型星）在不同星团环境下的存活与演化。

提出的方法

• 利用Einstein、ROSAT、Chandra与XMM-Newton卫星的数据，分析球状星团中的X射线与射电源计数。
• 使用碰撞率公式 Γ ∝ ρ₀² r_c³ R / v 建模通过潮汐捕获与交换相遇形成的双星形成率，其中 ρ₀ 为中心密度，r_c 为核心半径，v 为相对速度。
• 将不同星团的观测X射线光度函数（dN/dL ∝ Lₓ^−p）与理论预期进行比较，将斜率 p 与星团动力学及双星破坏率关联。
• 评估脉冲星双星的轨道周期与质量函数分布，以推断形成机制（如潮汐捕获与交换相遇）。
• 应用统计检验评估银河系星团中缺乏高光度X射线源是否与理论预期一致。
• 比较银河系球状星团中X射线源的特性与其它星系（如M31）中星团的差异，特别是光度高于10³⁹ erg/s的明亮源，暗示可能存在黑洞双星。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团中中子星双星与回收脉冲星的主导形成机制是原初双星演化还是近距离恒星相遇？
• RQ2 观测到的球状星团X射线光度函数与源分布在多大程度上约束了核心密度与核心半径在双星形成与破坏中的作用？
• RQ3 为何47 Tuc与NGC6752中的所有脉冲星周期均短于9 ms，而M15与NGC6440中的脉冲星周期更长（最长达379 ms），这又对形成机制意味着什么？
• RQ4 球状星团中低光度X射线源是否主要为吸积中子星或激变变星，其分布与星团动力学有何关联？
• RQ5 为何在其它星系的球状星团中探测到吸积黑洞，而在银河系星团中未发现，这又对形成率与探测阈值意味着什么？

主要发现

• 通过近距离相遇形成中子星双星的速率与星团中心密度和核心半径的关系为 Γ ∝ ρ₀² r_c³，与单个双星的扰动率不同，提供了可检验的预测。
• Chandra观测显示，低光度X射线源（Lₓ ≤ 10³⁵ erg/s）的数量是高光度源（Lₓ ≥ 10³⁶ erg/s）的5至10倍，表明低吸积率中子星系统的主导地位。
• 在47 Tuc中，所有脉冲星周期均小于7.6 ms，表明其形成机制为潮汐捕获；而M15与NGC6440中周期更长的脉冲星（最长达111 ms）则暗示其形成机制为交换相遇。
• M4与M53中脉冲星双星的轨道周期较长（分别为191天与256天），与低碰撞率（低γ）一致；而47 Tuc的高γ值导致长周期双星无法存活。
• 47 Tuc的X射线光度函数斜率p = 0.8，比NGC6397的p = 0.3更陡，表明在更致密的星团中，磁性活动双星与低光度源更容易被破坏。
• XMM-Newton在Mayall II（M31最大星团）中探测到一个微弱X射线源，而外部星系中光度高于10³⁹ erg/s的明亮源暗示存在黑洞双星，尽管在银河系星团中尚未探测到此类源，原因可能是预期数量过少且探测限制造成。