中國天文學家解釋了一類特殊低質量X射線雙星的形成

中國科學院雲南天文台劉棟棟副研究員和王博研究員利用吸積致塌縮型超新星解釋了一類特殊低質量X射線雙星的形成。

他們發現一類特殊的低質量X射線雙星，是由一顆強磁場、自轉較慢中子星和一顆極低質量伴星（小於0.1倍太陽質量）組成的短軌道間距雙星系統。然而，對於這類天體的形成存在以下矛盾：一方面，伴星的極小質量和較短的軌道間距意味著已經向另一顆星轉移了較多的物質；另一方面，中子星的強磁場和慢速自轉意味著還幾乎沒有吸積過（或者剛開始吸積）伴星的物質轉移。
　　
吸積致塌縮型超新星是科學家在40年前就已經提出的概念，是氧氖鎂白矮星質量增加到其質量極限時塌縮為中子星的過程。 通過吸積致塌縮型超新星可以十分自然地解釋上述矛盾。

首先，質量轉移過程發生在緻密天體為一顆氧氖鎂白矮星的時候，轉移而來的物質使得白矮星質量得到顯著增加。 當白矮星質量達到其質量極限時，就會發生吸積致塌縮型超新星爆發，白矮星將塌縮為一顆中子星。如果人們在此時探測到該雙星系統的話，就會看到由一顆未吸積過物質的中子星和一顆已經轉移過較多物質的伴星組成的雙星系統。

但是這一理論解釋一直存在一個問題：之前的吸積致塌縮型超新星前身星模型下形成的中子星雙星系統中伴星質量都遠大於0.1倍太陽質量，無法解釋上述提到的這類雙星系統的形成。

為解決這一問題，劉棟棟等人系統性研究了形成吸積致塌縮型超新星的氧氖鎂白矮星+氦白矮星通道（見上圖），成功解釋了新形成的中子星+極小質量伴星的形成難題。 當伴星再次充滿洛希瓣（Roche-lobes，是包圍在恆星周圍的空間，在這個範圍內的物質會受到該天體的重力約束而在軌道上環繞）後，將向中子星轉移物質，這時的雙星系統表現為極緻密X射線雙星。
　　
極緻密X射線雙星是一類軌道周期少於1小時的低質量X射線雙星，是重要的重力波源。4U 1626-67是一個典型的新形成的中子星+極小質量伴星系統，是一個極緻密X射線雙星系統。 雖然還有一些性質有待更詳細的研究，氧氖鎂白矮星+氦白矮星通道成功再現了4U 1626-67的形成。 結合前人星震學研究的結果，劉棟棟等人還推測極緻密X射線雙星XTE J1751-305很可能來源於伴星為氦白矮星的演化通道。

【圖、文：節錄自中國科學院雲南天文台2023年4月4日新聞公佈；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2023年3月23日出版的英國《皇家天文學會月報》；標題是：Evolving ONe WD+He WD systems to ultra-compact X-ray binaries