[论文解读] Formation of millisecond pulsars. I. Evolution of low-mass X-ray binaries with P > 2 days

Thomas M. Tauris, G. J. Savonije|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 35

一句话总结

本文针对轨道周期大于2天的低质量X射线双星（LMXBs）进行了详细的数值模拟，重点研究中子星与质量为1.0–2.0 M⊙的伴星组成的系统。研究发现，质量转移速率强烈依赖于初始轨道周期和伴星质量，在宽轨道系统中由于存在深层对流包层，可能达到超爱丁顿速率，并提供了证据表明PSR J1603–7202可能经历了不稳定的质量转移，其伴星为碳氧白矮星而非氦白矮星。

ABSTRACT

We have performed detailed numerical calculations of the non-conservative evolution of close binary systems with low-mass (1.0-2.0 M_sun) donor stars and a 1.3 M_sun accreting neutron star. Rather than using analytical expressions for simple polytropes, we calculated the thermal response of the donor star to mass loss, in order to determine the stability and follow the evolution of the mass transfer. Tidal spin-orbit interactions and Reimers wind mass-loss were also taken into account. We have re-calculated the correlation between orbital period and white dwarf mass in wide binary radio pulsar systems. Furthermore, we find an anti-correlation between orbital period and neutron star mass under the assumption of the "isotropic re-emission" model and compare this result with observations. We conclude that the accretion efficiency of neutron stars is rather low and that they eject a substantial fraction of the transferred material even when accreting at a sub-Eddington level. The mass-transfer rate is a strongly increasing function of initial orbital period and donor star mass. For relatively close systems with light donors (P < 10 days and M_2 < 1.3 M_sun) the mass-transfer rate is sub-Eddington, whereas it can be highly super-Eddington by a factor of 10^4 for wide systems with relatively heavy donor stars (1.6 - 2.0 M_sun) as a result of their deep convective envelopes. We briefly discuss the evolution of X-ray binaries with donor stars in excess of 2 M_sun. Based on our calculations we present evidence that PSR J1603-7202 evolved through a phase with unstable mass transfer from a relatively heavy donor star and therefore is likely to host a CO white dwarf companion.

研究动机与目标

• 对轨道周期大于2天的低质量X射线双星（LMXBs）进行非保守演化建模，重点关注中子星与质量为1.0–2.0 M⊙的伴星组成的系统。
• 研究伴星在质量转移过程中的稳定性与热响应，同时考虑潮汐自转-轨道耦合及雷默斯风质量损失的影响。
• 利用更新的恒星演化与双星相互作用物理模型，重新评估双星毫秒脉冲星中观测到的(P_orb, M_WD)相关性。
• 评估中子星的吸积效率，并判断观测到的轨道周期与中子星质量之间的反相关性是否与理论模型一致。
• 研究伴星质量超过2 M⊙的系统的演化路径，尤其关注公共包层演化及最终白矮星的组成。

提出的方法

• 采用基于埃盖尔顿算法的数值恒星演化代码，模拟伴星在质量损失下的热响应，取代简化的多相态近似。
• 在伴星的红巨星阶段引入潮汐自转-轨道耦合及雷默斯风质量损失，以提高双星演化模拟的真实性。
• 使用“各向同性再发射”模型计算预期的轨道周期与中子星质量之间的反相关性，并与观测结果进行比较。
• 追踪质量转移速率随初始轨道周期和伴星质量的变化，识别出速率达到超爱丁顿速率的条件。
• 分析伴星质量超过2 M⊙的系统的质量转移稳定性，结论为这些系统易发生动力学质量损失并进入公共包层演化阶段。
• 基于质量函数约束与轨道参数，评估PSR J1603–7202的演化历史，推断其白矮星伴星类型。

实验结果

研究问题

• RQ1 伴星质量与初始轨道周期在决定P_orb > 2天的LMXBs中质量转移的稳定性与速率方面起什么作用？
• RQ2 潮汐自转-轨道耦合与风质量损失在伴星处于红巨星阶段时如何影响低质量X射线双星的演化？
• RQ3 双星毫秒脉冲星中观测到的(P_orb, M_WD)相关性在多大程度上与详细双星演化模型的理论预测一致？
• RQ4 为何PSR J1603–7202中的中子星质量显著低于其他伴有氦白矮星的系统？这对其演化历史有何启示？
• RQ5 伴星质量超过2 M⊙的系统能否实现稳定的质量转移，还是其本质上易发生公共包层演化？

主要发现

• LMXBs中的质量转移速率强烈依赖于初始轨道周期与伴星质量，对于伴星质量为1.6–2.0 M⊙的宽轨道系统，速率可高达爱丁顿极限的约10⁴倍。
• 伴星质量为1.6–2.0 M⊙且P_orb > 2天的系统，由于深层对流包层的存在，会发生超爱丁顿质量转移，导致质量转移不稳定，并可能进入公共包层演化阶段。
• 由于输入物理模型的改进，双星毫秒脉冲星中观测到的(P_orb, M_WD)相关性经重新计算后，对给定轨道周期的白矮星质量预测值高于以往研究。
• 大量吸积物质被喷射出LMXBs，表明吸积效率较低，可能由于盘面不稳定性或“螺旋桨效应”所致，这可能掩盖了预期的P_orb与M_NS之间的反相关性。
• PSR J1603–7202很可能经历了不稳定的质量转移阶段，其伴星为碳氧白矮星而非氦白矮星，依据为其低质量中子星及在(P, Ṗ)图中非典型的位置。
• 伴星质量超过2 M⊙的双星系统在动力学质量转移下不稳定，预计将通过公共包层演化形成短周期双星毫秒脉冲星，其白矮星伴星为CO或O-Ne-Mg型。