致密星双星的演化和X射线源的研究

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x射线是高能天体物理的重要研究波段,研究天体的x射线辐射对认识它们的形成和演化具有重要的意义。此外,x射线辐射也可以被用来限制宇宙中的恒星形成历史,星系的形成和演化等等重要课题。近年来,随着Chandra, XMM-Newton等一批新的x射线望远镜投入工作,我们能够探测到的x射线源越来越多,源的光度越来越低,得到的x射线源的位置和光谱也越来越精确。这些新的观测结果对x射线源的起源,演化和最终产物的研究提供了新的机遇和挑战。在本文中,我们将就x射线点源、特别是含有白矮星为致密吸积星的x射线源的性质进行研究。我们力图通过x射线观测和数值计算两种手段,研究这类源的形成和演化中的一些重要过程、其性质受所处环境的影响、它们的演化产物以及它们和Ia型超新星可能的前身星之间的关系。第一章为x射线天文学综述,我们简要介绍了x射线源的观测和理论工作。主要内容包括星系中明亮的x射线点源的观测特征;两类x射线双星的形成和演化,以及星系中不同环境下的激变变星的观测和统计工作。其中我们着重介绍了双星演化中的公共包层,吸积过程,不稳定吸积盘的条件和吸积物质与致密星的相互作用,星系内激变变星的性质、统计结果和所处环境的关系等。在第二章我们以GRO J1744-28和Ia型超新星为例,研究不稳定的吸积盘在双星演化中的应用。我们在双星演化程序中加入了吸积盘不稳定性的因素,并采用最新的白矮星表面的H和He稳定燃烧的条件,以此未跟踪不同初始质量和轨道周期的白矮星双星的演化。在此过程中,我们还考虑了不同初始成分的白矮星累积足够物质之后的可能产物以及对双星轨道的影响等等因素。我们的研究表明,GROJ1744-28这个同时具有慢自转、高磁场强度和低质量伴星的x射线双星很可能是从一个含有ONeMg白矮星和一颗正常恒星的双星系统演化而来。在其演化过程中,白矮星经历了不稳定盘吸积和被吸积物质在其表面的燃烧和累积,白矮星由吸积导致塌缩形成中子星,中子星重新通过不稳定盘进行吸积的一系列过程。我们同时将不稳定吸积盘应用到C/O白矮星的吸积过程中,并据此重新计算了单简并模型中Ia型超新星的前身双星中伴星的初始质量和轨道周期的允许范围。我们的研究表明,在引入了不稳定的吸积盘之后,Ia型超新星的前身星中伴星的质量下限可以达到≤1.5M☉。这个结果可以进一步地应用在星族合成的工作中,并可能显著影响到计算的结果。第三章主要介绍了我们对双星演化中公共包层入参数的重新计算。在以往的研究中λ往往被取成定值。我们采用了最新的恒星演化程序,并考虑了星风和恒星核演化的影响,对不同金属丰度,不同初始质量的恒星在不同演化阶段的包层的束缚能进行了计算,并以此得出相应的公共包层入参数。我们的结果表明,不同初始质量的恒星的λ参数不同,而相同初始质量的恒星在演化的不同阶段的λ参数也不相同。在~3-6M☉的恒星演化末期,其λ参数甚至可以远远超出常用的数值。另外,不同金属丰度的恒星的λ参数也有差别,其中星族Ⅰ恒星的λ参数的值总比相同状态下星族Ⅱ恒星的要大一些。我们修正的λ参数的值可能对研究双星公共包层演化结束后双星的轨道周期和演化的最终产物有着重要的价值。我们还对这些参数进行了多项式拟合,以便应用到随后的星族合成的工作中。第四章主要介绍了我们对银河系核球和球状星团中暗弱的X射线点源的统计性质的研究。我们选取了银河系核球中的’Limiting Window’以及4个典型的球状星团,对这些目标的Chandra X射线望远镜的观测数据进行了分析,并分别对5个目标得到了经过探测不完备性、爱丁顿偏差和背景源去除修正的X射线点源的光度函数和不同光度范围内的点源的数密度,并将核球、太阳系附近区域以及球状星团中的光度函数和点源数密度进行了对比。我们工作表明,核球和太阳系附近区域的光度函数几乎完全一致,而球状星团中的光度函数则更加扁平,且含有更多的高光度X射线源和更少的低光度X射线源。我们的结果定量地给出了球状星团中光度函数的斜率和其动力学参数的关系。进一步的分析表明,这些目标的光度函数和X射线源数密度与X射线源在星团中的位置以及初始的双星比例有关。我们的结果进一步确认了动力学过程对星团中双星的形成和演化的影响,更重要的是,这个结果可以用来和星族合成的计算进行对比,并对恒星的形成和演化过程中的诸项参数进行限制。第五章是对现有工作的总结以及对未来工作的展望。
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