[论文解读] Five and a half roads to form a millisecond pulsar

Thomas M. Tauris|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文综述了毫秒脉冲星（MSPs）的形成路径，重点探讨了通过X射线双星演化形成完全回收MSPs的机制，其伴星为白矮星或次恒星天体。文章识别出五条主要形成通道——两条针对低质量X射线双星（LMXBs），三条针对中等质量X射线双星（IMXBs），外加一条半通道用于异常系统——其分类依据在于供体恒星在洛希瓣溢出时的演化状态，关键见解包括吸积效率与PSR J1614−2230的脉冲星质量限制。

ABSTRACT

In this review I discuss the characteristics and the formation of all classes of millisecond pulsars (MSPs). The main focus is on the stellar astrophysics of X-ray binaries leading to the production of fully recycled MSPs with white dwarf (WD) or substellar semi-degenerate companions. Depending on the nature of the companion star MSPs are believed to form from either low-mass X-ray binaries (LMXBs) or intermediate-mass X-ray binaries (IMXBs). For each of these two classes of X-ray binaries the evolutionary status of the donor star -- or equivalently, the orbital period -- at the onset of the Roche-lobe overflow (RLO) is the determining factor for the outcome of the mass-transfer phase and thus the nature of the MSP formed. Furthermore, the formation of binary MSPs is discussed in context of the (P,P_dot)-diagram, as well as new interpretations of the Corbet diagram. Finally, I present new models of Case A RLO of IMXBs in order to reproduce the two solar mass pulsar PSR J1614-2230.

研究动机与目标

• 通过X射线双星演化对毫秒脉冲星（MSPs）的形成通道进行分类与表征。
• 确定供体恒星在洛希瓣溢出（RLO）时的演化状态如何决定质量转移的结果及MSP的性质。
• 利用$P\dot{P}$-图与Corbet图解释观测到的MSP种群，将轨道参数与形成历史联系起来。
• 对中等质量X射线双星（IMXBs）中的Case A洛希瓣溢出进行建模，以解释PSR J1614−2230的高质（1.97\,M_\odot）。
• 评估LMXBs中的吸积效率，揭示即使在亚爱丁顿吸积率下，可能仅有不到50%的吸积物质被保留，原因在于磁层喷射与吸积盘不稳定性。

提出的方法

• 使用X射线双星的恒星演化模型，重点关注质量转移的稳定性与角动量演化，其演化受轨道角动量方程$\dot{a}/a = 2\dot{J}_{\rm orb}/J_{\rm orb} - 2\dot{M}_1/M_1 - 2\dot{M}_2/M_2 + (\dot{M}_1 + \dot{M}_2)/M$的控制。
• 根据供体恒星在RLO时的演化阶段对形成路径进行分类：Case A（主序星）、Case B（氢壳层燃烧）或Case C（氦壳层燃烧）。
• 应用$P\dot{P}$-图与Corbet图解释观测到的MSP种群，推断其形成历史。
• 对IMXBs中的新Case A RLO模型进行计算，以重现PSR J1614−2230的高质，要求高吸积效率与低质量损失。
• 分析非保守质量转移的作用，包括引力波辐射、磁制动与自旋-轨道耦合在轨道演化中的影响。
• 通过比较观测到的脉冲星质量与模型预测，评估吸积效率，识别出如自旋排斥效应与吸积盘不稳定性等喷射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么决定了X射线双星是否演化为具有白矮星或次恒星伴星的完全回收MSP？
• RQ2 供体恒星在洛希瓣溢出时的演化状态（Case A、B或C）如何影响最终MSP的性质？
• RQ3 为何LMXBs中的吸积效率通常低于50%，即使在亚爱丁顿吸积率下？
• RQ4 如何通过X射线双星演化模型解释PSR J1614−2230（1.97\,M_\odot）的高质？
• RQ5 $P\dot{P}$-图与Corbet图对轻微回收MSP的形成历史揭示了什么信息？

主要发现

• MSP伴星的性质（白矮星或次恒星天体）可指示其前身是LMXB还是IMXB，供体质量及其在RLO时的演化阶段是关键因素。
• IMXBs中的Case A RLO可重现PSR J1614−2230的高质，但需依赖高吸积效率与极低质量损失。
• LMXBs中的吸积效率通常低于50%，原因在于磁层喷射（如自旋排斥效应）与吸积盘不稳定性，即使在亚爱丁顿吸积率下亦如此。
• 对于氦白矮星伴星，脉冲星质量与轨道周期之间的负相关性尚未得到证实，可能由于中子星形成质量的离散性与观测限制所致。
• 具有氦白矮星伴星的MSPs的Corbet图包含关于轻微回收系统的线索，提示其具有不同的形成路径。
• 对脉冲星质量（1.17–1.97 M⊙）的观测约束揭示了其分布范围，原因在于回收程度与初始中子星质量的差异，凸显了更高精度质量测量的必要性。