[论文解读] Formation of the binary pulsars PSR B2303+46 and PSR J1141-6545 - young neutron stars with old white dwarf companions

Thomas M. Tauris, T. Sennels|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 11

一句话总结

本文通过双星演化蒙特卡洛模拟研究了双星脉冲星 PSR B2303+46 和 PSR J1141-6545 的形成过程，重点关注中子星在白矮星伴星之后形成的系统。研究提供了 PSR J1141-6545 拥有白矮星伴星的统计证据，预测其空间速度最小值为 150 km/s，并表明需要非对称超新星爆发才能解释该系统的低偏心率。

ABSTRACT

We have investigated the formation of the binary radio pulsars PSR B2303+46 and PSR J1141-6545 via Monte Carlo simulations of a large number of interacting stars in binary systems. PSR B2303+46 has recently been shown (van Kerkwijk & Kulkarni 1999) to be the first neutron star - white dwarf binary system observed, in which the neutron star was born after the formation of the white dwarf. We discuss the formation process for such a system and are able to put constraints on the parameters of the initial ZAMS binary. We present statistical evidence in favor of a white dwarf companion to the binary pulsar PSR J1141-6545, just recently discovered in the Parkes Multibeam Survey. If this is confirmed by observations this system will be the second one known in which the neutron star was born after its white dwarf companion. We also predict a minimum space velocity of 150 km/s for PSR J1141-6545, and show it must have experienced an asymmetric SN in order to explain its low eccentricity. Finally, we estimate the birthrate of these systems relative to other binary pulsar systems and present the expected distribution of their orbital periods, eccentricities and velocities.

研究动机与目标

• 理解中子星在白矮星伴星之后形成的双星脉冲星的形成机制。
• 基于观测约束，检验 PSR J1141-6545 拥有白矮星伴星的假设。
• 估算此类系统相对于其他双星脉冲星系统的形成速率。
• 预测这些系统的预期轨道周期、偏心率和空间速度分布。
• 确定解释 PSR J1141-6545 低偏心率所需的条件，包括非对称超新星反冲的作用。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟方法，对从零龄主序（ZAMS）参数出发的大规模双星系统进行建模。
• 追踪演化序列：大质量恒星演化为中子星，而其伴星早已成为白矮星。
• 应用恒星演化模型，计算质量转移、共同包层阶段以及超新星爆发动力学。
• 使用统计分析方法，将模拟得到的轨道周期、偏心率和速度分布与观测特性进行比较。
• 引入非对称超新星反冲，以解释类似 PSR J1141-6545 这类系统的低轨道偏心率。
• 计算预期的空间速度分布，并推导出 PSR J1141-6545 的最小速度阈值为 150 km/s。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中子星形成于白矮星伴星之后的双星脉冲星系统中，其形成的概率是多少？
• RQ2 PSR J1141-6545 的观测特性是否能够通过其拥有白矮星伴星及非对称超新星爆发来解释？
• RQ3 PSR J1141-6545 的轨道参数和空间速度对其形成情景施加了哪些约束？
• RQ4 此类系统的形成速率与其他双星脉冲星系统相比如何？
• RQ5 为使 PSR J1141-6545 的观测低偏心率保持一致，其最小空间速度应为多少？

主要发现

• 本文提供了支持 PSR J1141-6545 拥有白矮星伴星的统计证据，表明其是第二个中子星在白矮星伴星之后形成的已知系统。
• 预测 PSR J1141-6545 的最小空间速度为 150 km/s，与非对称超新星爆发带来的显著初始反冲一致。
• PSR J1141-6545 的低轨道偏心率只能通过非对称超新星爆发来解释，该过程为中子星赋予了反冲速度。
• 模拟结果预测，中子星在白矮星伴星之后形成的此类系统，其形成速率可观测但相对较低，相较于其他双星脉冲星系统。
• 这些系统预期的轨道周期和偏心率分布与当前的观测约束一致。
• 该形成情景表明，初始双星系统必须具有特定的质量比和分离度，才能使白矮星在中子星形成之前先演化完成。