“双星”研究解释了一类特殊低质量X射线双星的形成

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近日，中国科学院云南天文台刘栋栋副研究员和王博研究员利用吸积致塌缩型超新星解释了一类特殊低质量X射线双星的形成。这一题为“Evolving ONe WD+He WD systems to ultra-compact X-ray binaries”的成果发表在2023年4月出版的《英国皇家天文学会月刊》(MNRAS)上。

科学家发现了一类特殊的低质量X射线双星，是由一颗强磁场、自转较慢中子星和一颗极低质量伴星（小于0.1倍太阳质量）组成的短轨道间距双星系统。然而，对于这类天体的形成存在以下矛盾：一方面，伴星的极小质量和较短的轨道间距意味着已经向另一颗星转移了较多的物质；另一方面，中子星的强磁场和慢速自转意味着还几乎没有吸积过（或者刚开始吸积）伴星的物质转移。

吸积致塌缩型超新星是科学家在40年前就已经提出的概念，是氧氖镁白矮星质量增加到其质量极限时塌缩为中子星的过程。通过吸积致塌缩型超新星可以十分自然地解释上述矛盾。

首先，质量转移过程发生在致密天体为一颗氧氖镁白矮星的时候，转移而来的物质使得白矮星质量得到显著增加。当白矮星质量达到其质量极限时，就会发生吸积致塌缩型超新星爆发，白矮星将塌缩为一颗中子星。如果人们在此时探测到该双星系统的话，就会看到由一颗未吸积过物质的中子星和一颗已经转移过较多物质的伴星组成的双星系统。

但是这一理论解释一直存在一个问题：之前的吸积致塌缩型超新星前身星模型下形成的中子星双星系统中伴星质量都远大于0.1倍太阳质量，无法解释上述提到的这类双星系统的形成。

为解决这一问题，刘栋栋等人系统性研究了形成吸积致塌缩型超新星的氧氖镁白矮星+氦白矮星通道（见图1），成功解释了新形成的中子星+极小质量伴星的形成难题。当伴星再次充满洛溪斑后，将向中子星转移物质，这时的双星系统表现为极致密X射线双星。

极致密X射线双星是一类轨道周期小于1小时的低质量X射线双星，是重要的引力波源。4U 1626-67是一个典型的新形成的中子星+极小质量伴星系统，是一个极致密X射线双星系统。虽然还有一些性质有待更详细的研究，氧氖镁白矮星+氦白矮星通道成功再现了4U 1626-67的形成（见图2）。结合前人星震学研究的结果，刘栋栋等人还推测极致密X射线双星XTE J1751-305很可能来源于伴星为氦白矮星的演化通道。

该成果受到了国家自然科学基金以及中科院青促会会员人才专项的支持。

图2. 基于氧氖镁白矮星+氦白矮星通道，形成4U 1626-67的一个可能的演化过程。紫色和蓝色部分分别代表吸积致塌缩型超新星发生前和发生后的演化，雪花标注的是吸积致塌缩型超新星发生的位置。

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