中科大天文系课件-47密近双星的演化

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1、§4.7密近双星的演化质量超过太阳的恒星，有50%是双星，10%是三合星。双星是恒星世界的普遍现象，是最小的恒星集团。密近双星是恒星世界中普遍存在的一种天体。凡一子星影响另一子星演化（或两子星之间有物质交流）的物理双星称为密近双星。由于两星非常靠近,星风、吸积过程、质量交流的影响显著，可以出现脉动、爆发、X射线源、射电源等典型天体物理现象。对双星的研究可以提供恒星结构的准确物理参量，例如可以确定恒星的质量。此外，对引力波的探测、寻找黑洞亦有重大作用。双星的两颗子星以质心为参考点的运动轨道以星为原点的坐标系洛希（Roche）面（等势面）假定两个子星密度分布的中心聚度很高，在相互作用下作圆

2、轨道运动,子星的自转与公转同步，自转轴垂直于轨道平面。在与轨道角速度相同的旋转坐标系内，两子星的引力位势与离心力位势之和等于常值的点，就构成一个具有确定形状的曲面族，称为洛希等位面族（如下图）。设两星的质量分别为,平均距离为A,公转周期P,平均角速度定义为,则由开普勒定律有设星的相对质量为,则星的相对质量为（并设）o以为原点，A为长度单位，重心的坐标为（，，），取以旋转的坐标系。视两星为质点，则两星的引力势能与转动坐标系中离心势能之和为称为洛希势能，为常数的曲面称洛希等势面。共有5个作用力平衡的点，称拉格朗日点。其中，，为等势面鞍点（不稳定），，是稳定点（与对称分布）。称为内拉格朗日点

3、，为外拉格朗日点O洛希等势面族与拉格朗日点。该图取质心（X号所示）为原点，长度以两星距离A为单位通过的等势面为两个相接的闭合曲面，它们代表了两个星的引力范围，称为洛希瓣（或洛希极限），又称内临界等势面，它决定了子星表面最大的形状和界限。当子星在演化膨胀过程中，体积充满洛希瓣时,能够通过逃逸到另一个子星。对两星的公共质心而言，由于这部分物质携带角动量，到另一个子星附近就形成吸积盘。通过点的称为外临界等势面，它决定了围绕两星的公共包层的】大形状和界限。外拉格朗日点是物质流出双星系统的“溢出口”。吸积盘的形成密近双星的分类，从上到下为：1）分离型，2）半接型，3）相接型密近双星的演化设与轨道

4、角动量丿相比，子星的自转角动量可以忽略，则7,为常数。（F由开普勒第三定律利上图给出P可以看出，两星的眉物质由流向（因；E小，星的洛希瓣也戈:勺、，但勿丿贝卩丁浓兀狒笛布万吁，密缓死冋生。星a）白矮星吸积接受质量，并且流入物质的引力能以热能形式释放，故其光度增加，星也逐渐充满洛希瓣，两颗星恰好接触。在此以后，如果星继续释放物质,则通过过外拉氏点逸出。b）中子星吸积因为星是巨星，所以洛希瓣只比中心氨核稍大，物质的流出将继续到几乎把整个氢外层都流走，只剩下裸露的氨中心核。如果核的质量小于氨闪的临界质量，或者发生电子简并形成C-0中心核时，星就变成致密星白矮星。如果核的质量＞Chandras

5、ekhar极限，内部将演化成铁中心核，发生超新星爆发，最后成为中子星或黑洞。上述过程结束后，星已成为裸露的致密星。星继续演化，充满洛希瓣，开始向星的第二次物质交流。这样就转化为致密星的吸积问题。结果：①X射线辐射粒子动能辐射能②吸积盘发出各种辐射③如果吸积的物质（主要是氢）很多，能产生不稳定性，使得白矮星继续点火燃烧，半径增大到巨星量级，甚至出现超新星爆发②星也可能形成致密星（通过爆发），结果双星都是致密星,如PSR1913+16,两颗子星都是中子星，〜8小时,③由于质量四极矩，出现了引力波辐射，如1978年泰勒等对PSR1913+16,根据引力辐射求得的周期变化与观测相符。引力波辐射

6、引力波听起来有些神秘，往往认为只有学习了广义相对论才会了解它。其实,从牛顿力学出发也容易理解引力波的产生。例如，树上结了一只苹果。在某个时刻苹果枝突然折断，苹果落到地面。这意味着地球的质量分布有了一个突然的变化，于是，地球周围的引力场也就有一个突然的变化。但场的变化不会在整个空间中同时发生一一在任何给定的空间点，场的变化要延迟一段时间，它等于光信号从地球传播到该点所需的时间。因此引力场的扰动以光速向外传播,这样传播的引力场的扰动就称为引力波。笼统地说，当一个系统的质量分布发生变化时，一般就会有引力波产生。所以，引力波的存在应当是狭义相对论的一个直接结果：引力作用不能以无限大的速度传播。

7、因为无限大的速度不满足洛伦兹不变性，并且当信号速度超过光速时会发生因果关系的破坏。因为光速是唯一洛伦兹不变的速度，我们自然期望引力作用以波的形式传播，并且传播的速度等于光速。当然，引力波的具体计算包括强度和类型（如正负螺旋型）是与引力理论的细节有关的，因而通过引力波的实验研究就可以检验引力理论。更加重要的是:引力波不是电磁波，电磁波在宇宙空间中传播时所受到的种种干扰（例如被星际物质吸收和散射），对引力波不起作用。因此，引力波具有极强的穿透力，从