[论文解读] Origin and binary evolution of millisecond pulsars

F. D’Antona, M. Tailo|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文综述了导致毫秒脉冲星（MSPs）的双星演化路径，强调了X射线和射电辐射在塑造伴星演化中的作用。研究提出，辐射、射电喷射和蒸发共同驱动短周期MSP系统的长期演化，解释了观测到的轨道周期分布以及球状星团中MSP频率较高的现象。

ABSTRACT

We summarize the channels formation of neutron stars (NS) in single or binary evolution and the classic recycling scenario by which mass accretion by a donor companion accelerates old NS to millisecond pulsars (MSP). We consider the possible explanations and requirements for the high frequency of the MSP population in Globular Clusters. Basics of binary evolution are given, and the key concepts of systemic angular momentum losses are first discussed in the framework of the secular evolution of Cataclysmic Binaries. MSP binaries with compact companions represent end-points of previous evolution. In the class of systems characterized by short orbital period and low companion mass, we may instead be catching the recycling phase `in the act'. These systems are in fact either MSP, or low mass X--ray binaries (LMXB), some of which accreting X-ray MSP (AMXP), or even `transitional' systems from the accreting to the radio MSP stage. The donor structure is affected by irradiation due to X-rays from the accreting NS, or by the high fraction of MSP rotational energy loss emitted in the gamma rays range of the energy spectrum. X-ray irradiation leads to cyclic LMXB stages, causing super-Eddington mass transfer rates during the first phases of the companion evolution, and, possibly coupled with the angular momentum carried away by the non-accreted matter, helps to explain the high positive orbital period derivatives of some LMXB systems and account for the (apparently) different birthrates of LMXB and MSP. Irradiation by the MSP may be able to drive the donor to a stage in which either radio-ejection (in the redbacks) or mass loss due to the companion expansion, and `evaporation' may govern the evolution to the black widow stage and to the final disruption of the companion.

研究动机与目标

• 通过双星演化机制解释球状星团（GCs）中观测到的毫秒脉冲星（MSPs）高频率现象。
• 分析X射线和MSP驱动的辐射在低质量X射线双星（LMXBs）及MSP系统中质量转移期间对伴星结构的影响。
• 研究短周期、低质量MSP双星的演化路径，包括红背系统、黑 Widow系统及过渡系统。
• 通过研究角动量损失和由辐射引起的循环质量转移，澄清观测到的LMXB与MSP数量之间的差异。

提出的方法

• 使用激变双星（CBs）的长期演化模型作为理解MSP双星演化基准。
• 应用包含系统角动量损失的双星演化代码，特别是通过未吸积物质和引力波辐射造成的损失。
• 模拟X射线和γ射线辐射对伴星的影响，包括在循环LMXB活动期间的超爱丁顿质量转移阶段。
• 分析射电喷射和蒸发对伴星质量损失的影响，尤其在红背和黑 Widow系统中。
• 将观测到的MSP和LMXB的轨道周期分布与理论演化轨迹进行比较，重点关注分叉周期（P_bif）。
• 评估球状星团中动力学相互作用（如交换相遇）在促进MSP形成和改变双星参数方面的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管球状星团在银河系中质量分数较低，为何毫秒脉冲星更倾向于在其中形成？
• RQ2 哪些机制解释了MSP和LMXB的观测轨道周期分布，特别是短周期系统数量过多的现象？
• RQ3 X射线和MSP驱动的辐射如何影响密近双星中低质量伴星的结构与演化？
• RQ4 射电喷射和蒸发在从吸积LMXB向射电MSP演化过程中，特别是在红背和黑 Widow系统中，起何作用？
• RQ5 为何一些LMXB表现出较大的正轨道周期导数（Ṗ_orb），这如何与MSP数量多于LMXB的现象相协调？

主要发现

• 球状星团中MSP的高频率与致密的恒星环境有关，后者促进了双星相互作用和交换相遇，从而实现中子星的回收。
• X射线和γ射线辐射的辐射可驱动LMXB中的循环质量转移，导致超爱丁顿吸积阶段，解释了如SAX J1808等系统中观测到的正Ṗ_orb现象。
• 射电喷射和蒸发是红背和黑 Widow系统演化中的关键机制，其中射电喷射在较长轨道周期中占主导，而蒸发在较短周期中更为显著。
• 具有周期小于0.5天的氦白矮星伴星的系统，可能源自红背类系统，其质量转移始于伴星离开主序并形成氦核心之后。
• 分叉周期（P_bif）在决定演化路径中起主导作用，因为大多数短周期、低质量MSP系统似乎都是在接近这一临界周期时开始质量转移的。
• 从吸积相到射电MSP相的过渡系统，可能是由辐射循环驱动的间歇性质量转移所致，部分系统根据伴星演化阶段向更短或更长的轨道周期演化。