[论文解读] Binary evolution with LOFT

Thomas J. Maccarone, R. A. M. Wijnands+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 6被引用 3

一句话总结

LOFT 将通过其广角监视器（WFM）实现对全天X射线双星的深度监测，以及通过大面阵探测器（LAD）实现高时间分辨率光谱分析，彻底革新双星演化研究。它将探测到极为微弱的X射线双星，解析黑洞X射线双星的轨道周期分布，并研究中子星在转变为毫秒脉冲星过程中的自转加速现象，显著推进对致密双星演化及中子星与黑洞之间‘质量间隙’的理解。

ABSTRACT

This is a White Paper in support of the mission concept of the Large Observatory for X-ray Timing (LOFT), proposed as a medium-sized ESA mission. We discuss the potential of LOFT for the study of very faint X-ray binaries, orbital period distribution of black hole X-ray binaries and neutron star spin up. For a summary, we refer to the paper.

研究动机与目标

• 通过前所未有的灵敏度实现深度、全天监测，克服黑洞X射线双星巡天中严重的选择性偏差。
• 通过扩大具有精确质量测量的系统样本，解决中子星与黑洞之间的‘质量间隙’问题。
• 通过探测和表征从低质量X射线双星到毫秒射电脉冲星的过渡系统，研究双星中中子星的自转加速与自转减速过程。
• 利用WFM的灵敏度和大视场，对银河系中所有非常微弱X射线双星（VFXBs）进行全面普查。
• 通过结合快速响应与高时间分辨率，实现对过渡系统中脉动的相干时间测量，从而检验吸积与自转演化模型。

提出的方法

• 利用LOFT广角监视器（WFM）在2–50 keV能量范围内实现连续、全天监测，灵敏度可达mCrab流量水平。
• 利用大面阵探测器（LAD）进行高时间分辨率X射线光谱分析，并精确测量吸积系统中X射线脉动的到达时间。
• 结合WFM警报与LAD后续观测，探测并表征瞬变X射线状态，特别是LMXB与MSP状态之间的过渡阶段。
• 利用快速LAD观测（最短可达300秒）对过渡系统中的脉动实施相干时间分析，以测量自转演化与力矩机制。
• 利用射电获得的星历表提高脉动相位跟踪精度，并检验吸积诱导自转加速与喷射诱导自转减速的模型。
• 对WFM触发的爆发事件进行协调的多波段后续观测，以识别和分类VFXBs及过渡系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞X射线双星的真实轨道周期分布是什么？它是否与双星演化模型的预测相符？
• RQ2 观测到的中子星与黑洞之间的‘质量间隙’系统是否代表真实的物理现象，还是选择性偏差的结果？
• RQ3 中子星在吸积过程中如何达到毫秒自转周期？自转加速与自转减速阶段的主导力矩机制是什么？
• RQ4 非常微弱X射线双星（VFXBs）中有多少比例实际上是低质量X射线双星与毫秒脉冲星之间的过渡系统？
• RQ5 对过渡系统中脉动的相干时间测量能否约束吸积、喷射与角动量转移的物理机制？

主要发现

• LOFT的WFM将探测到银河系大部分区域中亮度低至~10^34 erg s⁻¹的VFXBs，使光学与射电后续观测能够确定其本质。
• LOFT有望在仅300秒内探测到如PSR J1023+0038这样的过渡系统中的脉动，从而支持相干时间测量计划。
• 该任务将显著扩大具有自转周期测量的中子星样本，特别是毫秒自转区段的中子星，通过探测微弱而快速的脉动实现。
• LOFT的灵敏度将使探测距离达数kpc的过渡系统在‘爆发’状态下的X射线耀斑成为可能，其峰值亮度可超过10^37 erg s⁻¹。
• WFM与LAD的结合将使在状态转换期间发现并监测多个过渡系统成为可能，从而为吸积与自转演化提供罕见的洞察。
• LOFT的快速响应与高时间分辨率将使通过测量与洛希瓣溢出相关的轨道周期变化，检验Applegate类机制在过渡系统中的作用成为可能。