[论文解读] Eclipsing Binary Pulsars

P. C. C. Freire|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 9

一句话总结

该论文识别出两类食双星脉冲星：一类是通过标准恒星演化形成的低质量伴星（~0.02 M☉），另一类是球状星团中交换相遇形成的更高质量伴星（~0.2 M☉）。研究表明，后者由于被恒星物质遮蔽，很可能在射电波段不可检测，并利用其发生率估算球状星团中中子星的回收比例，表明活跃星团中约7.5%的中子星通过交换相遇实现回收。

ABSTRACT

The first eclipsing binary pulsar, PSR B1957+20, was discovered in 1987. Since then, 13 other eclipsing low-mass binary pulsars have been found, 12 of these are in globular clusters. In this paper we list the known eclipsing binary pulsars and their properties, with special attention to the eclipsing systems in 47 Tuc. We find that there are two fundamentally different groups of eclipsing binary pulsars; separated by their companion masses. The less massive systems (M_c ~ 0.02 M_sun) are a product of predictable stellar evolution in binary pulsars. The systems with more massive companions (M_c ~ 0.2 M_sun) were formed by exchange encounters in globular clusters, and for that reason are exclusive to those environments. This class of systems can be used to learn about the neutron star recycling fraction in the globular clusters actively forming pulsars. We suggest that most of these binary systems are undetectable at radio wavelengths.

研究动机与目标

• 根据伴星质量与形成机制对食双星脉冲星进行分类。
• 研究为何质量较大的伴星系统（M_c ~ 0.2 M☉）仅存在于球状星团中。
• 评估具有大质量伴星的食双星脉冲星在射电波段的可探测性，特别是其是否因等离子体遮蔽而难以探测。
• 利用观测到的交换形成系统群体估算球状星团中中子星的回收比例。
• 探讨选择效应（如遮蔽）可能如何抑制某些双星脉冲星系统的射电探测。

提出的方法

• 汇编并分析14个食双星脉冲星的观测数据，包括计时解与轨道参数。
• 利用色散量（DM）随轨道相位的变化推断掩食期间电子柱密度的变化，尤其针对47 Tuc J。
• 通过质量函数与伴星质量的比较，区分通过恒星演化形成的系统与通过交换相遇形成的系统。
• 基于观测到的交换形成系统数量，统计估算球状星团中中子星的回收比例。
• 在非探测与掩食行为的解释中纳入选择效应（如遮蔽与闪烁）的影响。
• 利用计时解与轨道相位相关的DM测量，推断电浆密度变化与掩食几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量伴星与高质量伴星的食双星脉冲星在形成机制上存在何种本质区别？
• RQ2 为何伴星质量约为0.2 M☉的系统仅在球状星团中被发现？
• RQ3 由于等离子体遮蔽，具有大质量伴星的食双星脉冲星在多大程度上在射电波段不可探测？
• RQ4 球状星团中有多大比例的中子星通过交换相遇实现回收？这一比例如何从观测系统中估算？
• RQ5 选择效应（如闪烁与可变掩食）如何影响食双星脉冲星的可探测性与分类？

主要发现

• 食双星脉冲星可分为两类：一类是伴星质量较低（~0.02 M☉）的系统，由标准双星演化形成；另一类是伴星质量较高（~0.2 M☉）的系统，由球状星团中的交换相遇形成。
• 两类系统的伴星质量函数均呈均匀分布，表明观测到的质量函数并不能反映原初恒星的真实质量分布，这是由于选择效应所致。
• 47 Tuc V系统（伴星质量0.3 M☉，周期4.81 ms）在下合时表现出明显的脉冲辐射开关现象，表明其被致密轨道物质遮挡，支持遮蔽假说。
• 在47 Tuc J中，超前合时的额外电子柱密度约为1.7×10¹⁶ cm⁻²，显著高于PSR J2051−0827，表明该系统中存在大量电浆。
• 估算得到球状星团中中子星的回收比例约为7.5%，但由于选择效应（包括遮蔽与对大质量伴星系统的探测偏差），该值可能被低估。
• 具有数小时轨道周期与大质量主序星伴星的系统，可能因持续的电浆遮蔽而无法在射电波段探测到，这解释了为何尚未观测到伴星质量M_c > 0.2 M☉的系统。