中等质量X射线双星的演化 - 南京大学天文系
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中等质量X射线双<br />
星的演化<br />
徐晓杰<br />
南京大学 天文系<br />
指导教师 李向东
• X射线双星(XRBs)<br />
背景工作1<br />
• 低质量X射线双星 :LMXBs<br />
• 高质量X射线双星 :HMXBs<br />
• LMXBs 和HMXBs在物质传输方式上的区别<br />
• 中等质量X射线双星 :IMXBs<br />
• 传统上IMXBs并不受重视的原因
背景工作2<br />
• 近来的工作发现:在伴星质量小于4.0太<br />
阳质量的IMXBs系统中,可能存在稳定<br />
的以热时标传输物质的过程 (Cyg-X2 )<br />
• 传统的质量传输速率估算公式并不能让<br />
人满意<br />
Langer et al. 2000; King et al. 2001,<br />
Podsiadlowski et al. 2001
本文的目的<br />
• 对一系列的IMXBs系统演化进行计算 ,<br />
得到物质传输速率的拟和公式<br />
• 对不同的初始条件下的系统的<br />
演化过程,最终产物和物理意义进行探讨
双星计算方法1<br />
• 经过改进的Eggleton双星演化程序<br />
• 包含了<br />
一颗质量M1=1.4Msun的中子星<br />
一颗质量为M2的伴星。<br />
• 伴星的金属丰度Z=0.02
双星计算方法2<br />
1.伴星的洛希瓣有效半径<br />
R = a<br />
L<br />
−2/3<br />
0.49q<br />
+ +<br />
−2/3 −1/3<br />
0.6q ln(1 q )<br />
2.伴星通过洛希瓣损失质量<br />
•<br />
M =−RML( R −R<br />
)<br />
star L<br />
3
• 星风损失质量<br />
双星计算方法3<br />
•<br />
L<br />
log( − M ) = − 14.02 + 1.24log( )<br />
L<br />
M R<br />
+ 0.16log( ) +<br />
0.81log( )<br />
M R
• 角动量的损失<br />
• 物质逃逸<br />
双星计算方法3<br />
dJ<br />
dt<br />
• 引力波辐射 (GWR)<br />
• 磁滞动 (MB) :不考虑<br />
ML<br />
2<br />
ω 1<br />
•<br />
=−a<br />
M<br />
dln JGR 32 3 5M1M2( M1+ M2)<br />
=−<br />
Gc<br />
4<br />
dt 5<br />
a
• 中子星吸积物质<br />
dM<br />
dt<br />
NS<br />
双星计算方法4<br />
• • •<br />
⎧<br />
⎪−M•••••••••••(log(<br />
− M) < M eddington)<br />
= ⎨ • • •<br />
⎩<br />
⎪M eddington••••••••(log( − M) > M eddington)<br />
• 质量传输速率的震荡现象 及平滑
质量传输过程的选择
计算结果1<br />
• casea1到caseb2的系统从伴星质量在1.6—<br />
3.6Msun之间存在稳定的热时标物质交流<br />
• 大于4.0Msun的伴星与中子星组成的系统以<br />
及所有caseb3以后的系统的物质交流都是不<br />
稳定的
计算结果2(例1)
计算结果3(例1)
计算结果4(例2)
计算结果5(例2)
热时标传输的理论分析<br />
• 质量半径指数(Mass—Radius Exponents)<br />
ξ =<br />
dln R<br />
( )<br />
dln M<br />
eq eq<br />
ξ =<br />
ξ =<br />
dln R<br />
( )<br />
dln M<br />
ad ad<br />
dln R<br />
( )<br />
dln M<br />
RL RL
热时标传输的理论分析2<br />
ξ > ξ RL ad<br />
ξ > ξ > ξ<br />
ad RL eq<br />
物质传输以动力学<br />
时标进行<br />
物质传输以热时标<br />
进行
热时标传输物质速率1<br />
• 原有的估计<br />
(Rappaport 等)<br />
其中Kelvin-Helmhotz<br />
时标<br />
• 意义<br />
i i<br />
2 1<br />
• ( M − M )<br />
M th =<br />
t<br />
t<br />
KH<br />
=<br />
KH<br />
GM<br />
2<br />
2<br />
2RL
热时标传输物质速率2<br />
• 本文的判据: Eddington吸积极限<br />
• 热时标平均质量传输速率计算公式<br />
• M<br />
i<br />
− M<br />
f<br />
2 2<br />
mean =<br />
t −<br />
t 2 1<br />
M
热时标传输物质速率3
热时标传输物质速率4
热时标传输物质速率5
热时标传输物质速率6
热时标传输物质速率7<br />
• 同一种case,不同质量的伴星系统的平均质<br />
量传输速率随着伴星质量的增大而单调上<br />
升<br />
• 同一伴星质量,不同case的系统,从casea1caseb2,平均质量损失速率也是上升的
拟和曲线和公式1
拟和曲线和公式2
拟和曲线和公式3
拟和曲线和公式4
拟和曲线和公式5
拟和曲线和公式6<br />
• 拟合公式: 2<br />
Casea1<br />
Casea2<br />
Caseb1<br />
Caseb2<br />
Caseb2(修正)<br />
log dM = A + Bx + Cx<br />
dt<br />
A<br />
-11.65038<br />
-11.26772<br />
-11.66965<br />
-16.64358<br />
-14.61362<br />
B<br />
2.98162<br />
2.49907<br />
2.90721<br />
6.70584<br />
4.72967<br />
C<br />
-0.40918<br />
-0.28463<br />
-0.33073<br />
-1.05109<br />
-0.64678
最终产物<br />
• 单星系统(或者TZO星)<br />
• 密近轨道双星系统<br />
• 中子星+白矮星的非密近双星系统<br />
(He 白矮星,C白矮星,ONe白矮星 )
结论<br />
• 伴星质量处于1.6-4.0Msun之间的IMXB系<br />
统,会出现稳定的超Eddington热时标物质<br />
传输过程<br />
• 平均质量传输速率的拟合公式<br />
• 最终产物随不同的伴星质量和初始轨道周<br />
期而不同
讨论1<br />
• 中子星通过吸积物质塌缩成黑洞的可能性<br />
• 在IMXB系统中,通过稳定的热时标物质传<br />
输以及核演化驱动的传输过程使得中子星<br />
质量增加到足以塌缩成大于3.0个太阳质量<br />
的黑洞是基本不可能的<br />
• 不排除中子星通过吸积物质塌缩成为质量<br />
在2.0个太阳质量黑洞的可能性
讨论2<br />
• 物质传输状态的特殊例子<br />
• 在casea1的质量传输过程中也存在不稳定性<br />
• 伴星初始质量为1.8的系统在caseb2的物质<br />
传输过程 (见下页图)
讨论3
讨论4<br />
•MB和X射线照射(Irradiation)的问题<br />
• 质量大于1.5Msun的恒星也可能存在MB?<br />
• Irradiation可能对伴星的物理状态有严重的<br />
影响并加快质量传输的过程<br />
但目前为止还没有一个可靠的模型<br />
• 伴星的金属丰度会极大地影响质量传输速<br />
率吗?(Langer)
参考资料<br />
• Eggleton, 1971, MNRAS, 151, 351<br />
• Iben, Tutukov, Yungelson, 1995, APJS, 100, 217<br />
• Iben, Tutukov, Yungelson, 1995, APJS, 100, 233<br />
• Langer, Deuschmann, Wellstein, Hofllich, 2000,<br />
A&A, 362, 1046<br />
• LEwin, Jan van Paradijs & van den Heuvel, 1995, Xray<br />
Binaries, Cambridge University Press<br />
• Nieuwenhuijzen, de Jager, 1990, A&A, 231, 134<br />
• Pfahl, Rappaport, Podsiadlowski, 2003, preprint<br />
(astro-ph/0303300)
参考资料<br />
Podsiadlowski, Rappaport, Pfahl, 2001, preprint (astroph/0107261)<br />
• Podsiadlowski, Rappaport, Pfahl, 2001, preprint<br />
(astro-ph/0109386)<br />
• Podsiadlowski, Pfahl, Rappaport, 2004, preprint<br />
(astro-ph/0402024)<br />
• Pylyser, & Savonije, 1988, A&A, 191, 57<br />
• Willems, Kolb, 2002, MNRAS, 337, 1004<br />
• X. D. Li, 2002, APJ, 564, 930
李向东老师<br />
感谢<br />
左兆宇,陈文聪师兄<br />
谢基伟,汪翊鹏同学
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