[论文解读] Exploration of the $\ps-\pb$ Relation for Wind-Fed X-Ray Pulsars

Hai‐Lang Dai, Xi-Wei Liu+1 more|ArXiv.org|Aug 29, 2006

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 37被引用 14

一句话总结

本研究利用蒙特卡洛群体合成方法，模拟大质量双星系统在进入大质量X射线双星（HMXB）相之前中子星自转演化过程，表明风吸积和自旋阻尼效应可解释观测到的 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相关性。研究发现，大多数中子星在脉冲星相期间因自旋下降而达到 $\sim10^2$--$10^3$ s 的自转周期，且磁矩轴与自转轴之间的对齐通过长期演化实现。

ABSTRACT

We have investigated the relation between the orbital periods ($\pb$) and the spin periods ($\ps$) of wind-fed X-ray pulsars in high-mass X-ray binaries (HMXBs), based on population synthesis calculations of the spin evolution of neutron stars during the pre-HMXB stage. We show that most of the neutron stars either have steady accretion or still reside in the radio pulsar phase when the donor star starts evolving off the main sequence. In the former case the values of $\ps$ can be decelerated to be $\sim 10^2-10^3$ s depending on $\pb$. We briefly discuss the possible origin of the $\ps-\pb$ correlation in Be/X-ray binaries, and the existence of HMXBs with main sequence donors. We have also investigated the evolution of the inclination angle between the magnetic and spin axes of neutron stars in a massive binary, suggesting secular alignment of the magnetic and spin axes during their evolution.

研究动机与目标

• 利用演化群体合成方法理解风吸积X射线脉冲星中 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相关性的起源。
• 研究在大质量X射线双星进入稳定吸积阶段之前，中子星自转周期的演化过程。
• 检验自旋阻尼效应与脉冲星相期间的自旋下降在塑造观测到的 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 分布中的作用。
• 评估主序星供体HMXB的存在性及其对HMXB演化的影响。
• 探索在大质量双星系统中，磁矩轴与自转轴随时间发生的长期对齐过程。

提出的方法

• 对HMXB相之前的中子星自转演化进行蒙特卡洛群体合成模拟。
• 基于Davies & Pringle (1981)的简化模型，结合磁偶极辐射与粒子发射力矩，构建自转演化模型。
• 利用自旋阻尼效应模拟脉冲星相期间的自旋下降，力矩表达式为 $I\dot{\Omega}_{\rm s} = -\frac{2}{3}\frac{\mu^2\Omega_{\rm s}^3}{c^3}$。
• 采用经验关系（公式9）计算20 $M_\odot$ 主序星的质量损失率，并设定风速 $v_\infty = 10^8 v_8$ cm s$^{-1}$。
• 通过磁层半径与冲压压力平衡计算平衡自转周期 $P_{\rm eq}$，满足 $P_{\rm eq} \propto \dot{M}^{-3/7}$。
• 通过长期演化过程评估磁矩轴与自转轴之间的对齐，假设在吸积相期间存在角动量转移。

实验结果

研究问题

• RQ1 风吸积X射线脉冲星中观测到的 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相关性由何原因造成？
• RQ2 脉冲星相期间的自旋阻尼效应如何影响HMXB中中子星的最终自转周期？
• RQ3 HMXB相之前自转演化是否可解释 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 关系？
• RQ4 HMXB中主序星供体的比例是多少？其X射线光度与自转周期与超巨星HMXB相比如何？
• RQ5 在大质量双星系统中，磁矩轴与自转轴随时间的对齐程度如何？

主要发现

• 风吸积HMXB中的中子星通常因脉冲星相期间的自旋阻尼效应而自旋下降至 $P_{\rm s} \sim 10^2$--$10^3$ s，具体取决于轨道周期。
• $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相关性与中子星在供体恒星主序阶段达到平衡自转周期的假设一致。
• 在高效自旋阻尼力矩作用下，大量中子星可在供体仍处于主序阶段时达到平衡自转周期 $P_{\rm eq}$。
• 该模型预测银河系中存在数百个主序星供体的HMXB，其X射线光度为 $\sim 10^{33}$--$10^{35}$ erg s$^{-1}$。
• 长期对齐过程可预期发生，意味着大多数HMXB中磁矩轴与自转轴之间的倾角较小。
• 2S 0114+650的极长自转周期（$P_{\rm s} \sim 10^4$ s）可能需要初始磁场 $B \gtrsim 10^{14}$ G 才能通过自旋阻尼效应实现高效自旋下降。