X射线双星演化中的动力学过程

发布时间：2017-12-13 12:12

  本文关键词：X射线双星演化中的动力学过程

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【摘要】：双星广泛地存在于宇宙之中,其由于耦合了两颗恒星的演化而具有丰富多彩的观测特征,成为天体物理研究中的重要天体。一般来说,双星演化的耦合程度主要由系统的轨道周期决定,但双星的轨道周期与两颗子星演化之间的影响却是相互的：一方面子星在演化中可以通过星风、潮汐作用、物质交流等过程缓慢地改变双星的轨道周期,造成双星轨道间距的收缩或扩张、轨道偏心率的改变；另一方面轨道周期的演化也会反作用于两颗子星,改变它们的参数与演化路径,以至于影响子星最终的演化产物。在现有的双星演化程序中,双星间的相互作用以及轨道周期演化等过程可以结合相应的物理模型加以计算,并从初始的双星输入参数得到比较确定的演化结果。然而,双星演化过程中一些随机的并且剧烈的动力学过程往往会显著地改变双星的演化路径,并给计算结果带来极大的不确定。在本文中,我们针对双星演化过程中的两种可能的动力学过程——超新星爆发与球状星团中恒星的动力学碰撞——进行研究,并结合相应的观测数据,探讨动力学因素对X射线双星演化的影响。文章结构如下：在第一章中,我们简要介绍双星及双星演化的基础知识,包括双星观测特征、恒星的演化、双星的相互作用过程和双星演化中的角动量损失机制,以及X射线双星的形成等内容。在第二章中,我们分别介绍两种可能发生在X射线双星演化中的动力学过程。第一种为大质量恒星的超新星爆发,主要内容包括超新星的观测特征、爆发机制,超新星爆发对双星系统的影响、中子星的Kick速度以及观测对其大小的限制等。第二种为发生在球状星团中恒星的动力学碰撞过程,主要包括星团中恒星或双星的碰撞截面、单星的碰撞形成双星、双星的碰撞及其所遵守的Hills-Heggie定理、双星在球状星团演化中的作用等内容。在第三章中,我们就Be/X射线双星中脉冲星的自转周期分布与其轨道参数的相关关系进行了研究。由于这类系统经历过超新星爆发现象,并成功的保留了超新星爆发过程产生的轨道周期、偏心率以及轨道倾角等参数,使它们成为限定超新星爆发过程和中子星的Kick速度的理想天体。观测发现Be/X射线双星中中子星自转周期和轨道周期的分布都存在着两个双峰,一种观点认为它们可能是由两种超新星爆发过程——电子俘获超新星和铁核塌缩超新星——产生。然而通过研究Be/X射线双星中脉冲星与Be星星风盘的相互作用,以及中子星吸积产生的X射线爆发活动等特征,我们提出Be/X射线双星中中子星自转周期的双峰分布主要是由中子星在X射线爆发时的不同吸积模式产生,而超新星爆发过程对中子星自转的影响仅限于改变中子星的轨道参数,影响中子星与Be星星风盘的相互作用过程。在第四章中,我们研究恒星动力学碰撞对球状星团中低光度X射线源的丰度的影响。众所周知,球状星团中小质量X射线双星(LMXB)与毫秒脉冲星(MSP)的丰度要比星系场中高出数个量级,这被认为与星团中恒星的动力学碰撞有关。然而,球状星团中是否也存在比星系场中超丰的激变变星(cV)和磁层活动双星(AB)等低X射线光度的密近双星系统则是一个悬而未决的问题。通过研究近70十个球状星团中低光度X射线源的X射线辐射,我们发现它们的X射线辐射率并不比星系场环境的中恒星高,这表明星团中并不存在超丰的CV和AB。我们推测在像球状星团一样的致密恒星环境中,主序双星在经双星演化过程形成密近的CV和AB之前,就被恒星的动力学碰撞过程大量瓦解了,导致观测到的球状星团中低光度X射线源辐射率偏低。在第五章中,我们研究球状星团中主序双星的动力学碰撞与X射线源的形成过程。相比单星于单星之间的碰撞,星团中恒星的动力学过程主要由双星与单星或双星与双星的碰撞主导。双星的轨道间距在动力学碰撞中将遵守Hills-Heggie定理,即软双星在碰撞后轨道间距将扩张或被瓦解,而硬双星则会发生轨道收缩,形成更为密近的双星系统。我们发现球状星团中主序双星的碰撞模型能更好地解释观测到的球状星团低光度X射线源辐射,尽管球状星团中的主序双星也可以通过单纯的双星演化通道形成X射线源,但观测显示双星动力学碰撞通道是产生星团中X射线源的主要方式,在一些球状星团中其贡献甚至要比双星演化通道高出两个量级。此外,利用X射线观测给出的球状星团中密近X射线双星的丰度与主序双星的在星团中的占有比fb,我们从观测上证实了Hills-Heggie定理对硬双星在动力学碰撞中的预言,即硬双星经动力学碰撞后轨道间距将发生收缩,释放的引力能将转化为球状星团恒星的动能。最后,在第六章中我们对本论文的研究结果进行总结,并简单介绍此研究课题中还存在的问题以及我们未来可以开展的工作。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P153
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本文编号：1285096