南京大学天体物理学课件第五章

第五章密近双星的演化§5.1密近双星的分类§5.2激变变星§5.3X射线双星§5.1密近双星的分类1.洛希瓣和双星分类(1)Roche势和等势面1864年，法国数学家Roche首先提出计算密近双星系统引力势的简化模型。方法：考虑在两个互相绕转的天体的引力势中一个检验粒子的运动。基本假设：1)每个子星的内部密度分布是球对称的，在动力学上可以认为是质点。2)两子星以圆轨道绕公共质心运动（←潮汐力）。3)两子星的自转和公转一致（←潮汐力）。在以双星公共质心为原点的共转坐标系中，任意质点的Euler方程是：Pvvvtv12)(其中—Coriolis力Φ—Roche势（包含引力和离心力的贡献）V222211)(21||||)(rsGNsGMr11rrs22rrs等势面：Φ(r)=常数的曲面族等势面的特点：1)垂直于本地的有效重力方向，是等压强面和等密度面2)等势面的形状取决于子星质量比，大小取决于双星距离3)当ra时，等势面是圆形，圆心在公共质心处4)当r→R时，等势面是圆形，圆心在子星的质心处（物质的运动主要受较近恒星的引力控制）→在和处Roche势取极小值1r2r(2)洛希瓣(Rochelobe)临界等势面：同时包络两颗子星并且相接于其间一点（L1）的等势面。洛希瓣：由临界等势面包围的空间。在L1（内拉格朗日）点，两颗子星对物质产生的作用力正好相等，Roche势达极大值。当子星充满洛希瓣后，在内拉格朗日附近的物质处于不稳定状态，受到小扰动就会流向伴星，产生物质交流。(3)双星的Kopal分类根据双星中的一颗或两颗子星是否充满洛希瓣，可以将双星分为不相接双星(detachedbinaries)：两颗子星均未充满洛希瓣，半相接双星(semidetachedbinaries)：一颗子星充满洛希瓣，如天琴β，相接双星(contactbinaries)：两颗子星均充满洛希瓣，如大熊W。2.双星中的物质传输(1)星风传输（不相接、半相接双星）大质量恒星在演化过程中通常有强烈的星风。(2)洛希瓣渗溢(Roche-lobeoverflow)（半相接、相接双星）形成吸积盘(accretiondisk)3.大陵(Algol)佯谬(1)大陵五（英仙β）轨道周期2.867天主星：B8型主序星M＝3.7M⊙,R＝3R⊙伴星：G5型亚巨星，M＝0.8M⊙,R＝3.4R⊙，已充满洛希瓣(2)大陵佯谬：质量小的恒星反而演化得快？根据恒星演化理论，质量越大的恒星主序寿命越短，越早进入巨星阶段。(3)解释亚巨星子星的前身星是一颗双星系统中质量较大的主序星，它先演化充满洛希瓣。物质传输使得两子星的质量发生逆转。物质传输在初始阶段进行得较快，当两子星的质量相等后进行得较慢。§5.2激变变星1.激变变星(cataclysmicvariables)白矮星与红矮星构成的半相接双星。白矮星通过吸积伴星的物质产生辐射。轨道周期分布在几十分钟至数天，在2至3小时间有一个明显的间隙分类B0.1-1MG新星(novae)、再发新星(recurrentnovae)、类新星变星(nova-likevariables)和矮新星(dwarfnovae)等B~1-10MGIntermediatePolars(DQHerstars)B~10-100MGPolars(AMHerstars)Non-MagneticwhitedwarfbinariesMagneticwhitedwarfbinaries•辐射主要在光学和紫外波段•爆发时的能量释放率~1045-1046ergs-1•抛射约10-5-10-3M⊙的物质，抛射物质速度~100-5000kms-12.新星(1)观测特征在几天到几星期内亮度增加7-16星等，然后缓慢下降，经几个月或几年回复到原先的状态。例如NovaHerculis1934(a)爆发时星等为3m;(b)两个月后星等为12m;(c)40年后向外抛射的物质半径达0.05lyNovaCygni1975(a)爆发时星等为2m;(b)爆发后降为15m(2)物理解释Whitedwarfsiphonsoffmatterfromcompanionstar,creatingaccretiondisk.Gravitypullsmatterintowardsurfaceofwhitedwarf.Anoceanofhydrogenformsonthewhitedwarf'ssurface.Intensepressureandheatbuildatthebottomofthehydrogenocean,eventuallyleadingtoamassiveexplosion,whichblowsofftheouterlayersofhydrogen.Thenthesiphoningprocessbeginsagain.Thenovaoutburstslastsfortenstohundredsofdays.Eventually,asinthisHSTimageofNovaCygni1992,theejectedenvelopeisvisibleasalimb-brightenedshellexpandingawayfromthebinary(thecentralpointsourceinthisimage)atspeedsofafewhundredtoafewthousandkm/s.TPyxidis爆发间隔约20年(3)再发新星观测到不止一次类似新星爆发的激变变星。典型的爆发间隔约10-100年。Thefirstwave,orshell,ofblown-offmattertravelsataterrificrateofspeed.Theshell'souteredgemovesfasterthanitsinneredge.GaseousknotsobservedbyHubblemayformfromshockwavesthatoccurwhenmatterejectedduringthemostrecentexplosioncollideswithslow-movingmaterialfromthepreviousoutburst.Forexample,materialfromthe1966explosionofTPyxidisisillustratedincollisionwithdebrisfroma1944eruption.Cyclesofnovashellcollisionscreateconcentriccirclesofgaseousknots.3.Ia型超新星当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。EvolutionofCVs4M⊙and1M⊙Main-sequencestarsinbinary.Nearingtheendofitslife,the4M⊙starswells,spillinggasontoitscompanion.Formationofaplanetarynebula.asthelowermassstarbecomesared,accretionoccursagain.Theendpointofthesystemistwowhitedwarfsofroughlyequalmasscirclingeachother.§5.3X射线双星1.X射线双星(X-raybinaries)由致密星（中子星或黑洞）与正常恒星组成的双星系统。致密星通过吸积伴星物质产生X射线辐射。X-rayAstronomyOnthe18thdayofJune,1962,theAerobeesoundingrocketbegantosweepthesky,lookingatourMoon.What?!X-raysfromtheMOON????TheMoonshinesbyreflectedlightoftheSun,soacertainfractionoftheSun'sx-rayswillbereflectedoffthelunarsurface,backtowardtheEarth,andtherocket.X-rayAstronomyAnenormousspikeappearedonthechartrecorder!Thespike,seenoverandoveragain,wasnotfromtheMoonatall,butactuallycamefromanotherpartofthesky,about25degreesaway.X-rayAstronomyThesignalwasreal,notanequipmentmalfunction,andnotfromtheMoon.Itwasfromacosmicsource(ScoX-1)ofX-raysoftrulystaggeringproportions.X-rayAstronomyTheMooninX-rayLighttakenbyROSATX-rayObservatoriesUhuruEinsteinROSATASCARXTEBeppoSAXChandraXMM-NewtonTheX-raySkyChandraSkyMap2cMRMGMLx2RcGM2.X射线辐射(1)能源吸积物质引力势能→动能→热能→X射线辐射其中为吸积率，R为引力半径(2)产能率能量转换效率（仅与天体的致密程度有关）M吸积天体白矮星中子星黑洞核反应（H燃烧）产能率η~0.01%~10%~10%-42%~0.7%对中子星和黑洞，吸积是最为有效的产能形式3.分类和观测特征高质量X射线双星低质量X射线双星High-MassX-rayBinariesDonorstarhasearlyspectraltype(O,B),M10M⊙HMXBsareusuallyX-raypulsars辐射机制：强磁场→吸积流内区截断→吸积柱（磁极）→束状辐射Low-MassX-rayBinariesDonorstarhaslatespectraltype(Aandlater),I.e.M1.2M⊙LMXBsareusuallyX-raybursters.4U1705-44爆发机制：吸积中子星表面H壳层的失控热核反应.爆发间隔~几小时.爆发能10-5新星.中子星比白矮星更为致密表面积小→爆发物质量少表面温度高→X射线BlackHoleCandidatesPersistentBlackHoleCandidatesinHMXBsCygX-1TransientBlackHoleCandidatesinLMXBsMicroquasarsBHCswithstrongradiojets.Superluminalmotion.ThefirstgalacticsuperluminalsourceGRS1915+105SS433吸积产生喷流轨道周期：13days喷流速度：0.26c喷流进动周期：164days致密星：中子星？黑洞？JetsfromSS433SoftX-rayimage