球状星团中双中子星的模拟研究

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双中子星是天体物理学领域不可或缺的研究对象。2017年8月,美国激光干涉引力波天文台LIGO和欧洲引力波天文台Virgo共同探测到双中子星并合产生的引力波事件GW170817。双中子星作为重要的双星引力波波源,其研究可为引力波波源的形成提供重要参考。此外,双中子星在高能天体物理等领域中也起着十分重要的作用。对星系和星团中的双中子星进行模拟,可以为引力波探测提供理论指导。作为致密双星的一种,双中子星是恒星演化和双星相互作用的终点之一。双中子星最主要的形成方式包括大质量双星演化和动力学相互作用两种。球状星团由大量的恒星聚集而成,具有非常大的中心恒星密度,是理想的双中子星形成场所,适于研究双中子星的形成。本工作同时使用星族合成方法和动力学模拟方法对球状星团中双中子星的形成及其比例进行模拟研究。论文首先构建了两种具有相同初始双星比例的球状星团恒星样本,分别命名为样本1和样本2。样本1的恒星数为100000颗,并分别采用了八种不同的金属丰度(Z=0.0001~0.03)。样本2的恒星数为10000颗,参照引力波事件GW170817(波源为双中子星)的宿主星系NGC4993参数,其金属丰度设定为Z=0.02。然后,我们利用一种先进的星族合成方法—新型星族合成(ASPS),对样本1进行模拟,得出了采用不同金属丰度时的双中子星比例随时间的演化情况。接着,我们使用高效率N体模拟程序NBODY6++GPU对样本2进行了模拟计算,得到了双中子星的动力学模拟结果。最后,我们对两种方法得到的结果进行了比较和分析。结果表明:(1)恒星演化和动力学相互作用均可形成球状星团中的双中子星;(2)大质量双星演化形成的双中子星数量与金属丰度有关,金属丰度越小,得到的双中子星数量越大;(3)当初始双星比例为0.5时,八种金属丰度下星族合成模拟得到的双中子星在星团所有恒星中的比例分别为0.000786,0.000737,0.000638,0.000442,0.000442,0.000344,0.000442,0.000344;当金属丰度Z=0.02时,动力学模拟得到的结果为0.000117;(4)星族合成模拟得到的双中子星比例远大于动力学模拟的结果(前者约为后者的4倍),前者的形成时间特别短(0.10Gyr内),而后者在星团年龄为4.46Gyr时才开始产生。由模拟结果可知,在球状星团的双中子星形成过程中,大质量双星演化的作用远大于动力学的相互作用,大质量双星演化极有可能是球状星团中双中子星的主要形成方式,但是动力学相互作用的影响也不可忽略。因此,同时考虑两种形成途径方能得到可靠的球状星团中的双中子星比例。今后的球状星团双中子星模拟研究,应同时考虑这两种形成途径。
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