[论文解读] Physics of Binary Star Evolution -- from Stars to X-ray Binaries and Gravitational Wave Sources

Thomas M. Tauris, E. P. J. van den Heuvel|arXiv (Cornell University)|May 16, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 17被引用 45

一句话总结

一本全面的教科书，追踪双星演化从基本物理到X 射线双星的形成以及引力波源，围绕理论与观测及未来调查相互联系。

ABSTRACT

The majority of all stars are members of a binary system. The evolution of such binary stars and their subsequent production of pairs of compact objects in tight orbits, such as double neutron stars and double black holes, play a central role in modern astrophysics, Binary evolution leads to the formation of different types of violent cosmic events such as novae, supernova explosions, gamma-ray bursts, mass transfer and accretion processes in X-ray binaries, and the formation of exotic radio millisecond pulsars. In some cases, the binary systems terminate as spectacular collisions between neutron stars and/or black holes. These collisions lead to powerful emission of gravitational waves, as detected by LIGO since 2015. The coming decade is expected to reveal a large number of discoveries of binary compact systems, as well as their progenitors and merger remnants, from major instruments such as the radio Square-Kilometre Array; the gravitational wave observatories LIGO-Virgo-KAGRA-IndIGO and LISA; the astrometric space observatory Gaia; the James Webb Space Telescope; and the X-ray space observatories eXTP, STROBE-X, and Athena. In this light, it is important to have a modern textbook on the physics of binary stars evolution, from ordinary stars to X-ray binaries and gravitational wave sources. The scope of this book is that the reader (student or educated expert) will learn the physics of binary interactions, from stellar birth to compact objects, and relate this knowledge to the latest observations. The reader will learn about stellar structure and evolution, and detailed binary interactions covering a broad range of phenomena, including mass transfer and orbital evolution, formation and accretion onto compact objects (white dwarfs, neutron stars and black holes), and their observational properties. Exercises are provided throughout the book.

研究动机与目标

• 解释为什么双星演化在许多天体物理现象中具有核心地位（X 射线源、超新星、脉冲星、引力波）。
• 建立双星相互作用的物理框架，包括质量转移、罗克罗兹等势、共同包层以及轨道进化。
• 将理论模型与观测到的双星（非简并、白矮星、X 射线双星）以及致密天体（中子星 NS、黑洞 BH）的形成联系起来。
• 展示从大质量双星到双致密对象及其合并的路径，其中包含对引力波天文学的影响。
• 介绍双星种群综合与统计方法，以将理论与观测到的双星种群联系起来。

提出的方法

• 提供双星演化的历史背景和物理基础。
• 推导并讨论 Roche 等势、质量转移的稳定性，以及由转移和损失引起的轨道变化。
• 对观测到的双星进行分类，并详细描述吸积、盘、风以及潮汐进化的物理。
• 分析从单星到具有 NS/BH 残留的双星的演化通道，以及共同包层的作用。
• 描述 X 射线双星和脉冲星的观测诊断以及它们如何限制理论。
• 概述种群综合方法，并比较经验与理论的合并率估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 驱动双星相互作用（质量转移、角动量损失）的关键物理过程是什么，它们如何塑造双星演化？
• RQ2 X 射线双星、双中子星和双黑洞的形成渠道有哪些，射弹（kick）和质量转移如何影响结果？
• RQ3 对 X 射线双星、脉冲星和超新星的观测如何为双星演化模型提供信息？
• RQ4 在预测合并率和分布方面，双星种群综合的方法与局限性是什么？
• RQ5 即将到来的观测设施（例如 SKA、LISA、Athena）将如何推进我们对双星演化和引力波源的理解？

主要发现

• 双星演化对广泛的天体物理现象至关重要，包括 X 射线双星、超新星和引力波源。
• 双星相互作用可以是保守的也可以是高度非保守的，显著改变质量和轨道参数。
• 对 X 射线双星和毫秒脉冲星的观测为中子星和黑洞质量以及双星演化路径提供了关键约束。
• 双致密对象合并（DNS、DBH）是大质量双星演化的自然结果，是关键的引力波源，在某些情况下具有电磁对应体。
• 三级及更高阶的多星体系、星团中的动力学以及出生冲击速度对致密对象双星的形成与存续有深远影响。