“X射线双星”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

X射线双星

释义

【X射线双星】

拼译：X-ray binaries

是由致密强X射线源和一颗光学伴星组成的密近双星系统。其中的X射线源一般认为是中子星，有极少数可能是黑洞。产生X射线辐射的能量由来自伴星的质量流被吸积到致密星上所释放的引力能提供。对中子星，吸积过程的能量释放效率可高达10%，比热核反应还要高十几倍。与以热核反应为能源的正常恒星辐射相比，致密源的X射线辐射具有体积小、强度高、变化快等十分不同的特征。研究它的辐射机制、辐射强度、光变特性以及光学对应体等，对揭示X射线双星的物理本质；了解双星系统的相互作用机制和演化过程；检验有关中子星、黑洞这类奇异天体的理论模型等，都具有重要的意义。

1949年弗里德曼(H．Friedman)第1次探测到太阳有很强的X射线辐射，但相对强度仍不到太阳光学辐射的10^－9。1962年美国的贾科尼(R．Giacconi)等发现了太阳系外的第一颗强X射线源ScoX－1。1966年又证认出它的光学对应体，但光学辐射强度约只有X射线的10^－3。进一步的观测还表明，它的X射线辐射也不具有正常恒星辐射那样的稳定性，而是呈现出短时标的剧烈变化。这些发现引起了天文学家的广泛关注，它们必定是完全不同于正常恒星的新型天体。1967年什科尔夫斯基(I．S．Shklovskii)首次提出关于致密强X射线源的双星吸积模型，其中致密的中子星通过吸积来自伴星的质量流将引力能转换成X射线辐射。1970年底，由贾科尼设计并指导的第1颗X射线天文卫星乌呼鲁卫星发射升空极大地推动了X射线天文学的发展。它不仅使X射线源的数目大为增加，也提供了这些源更为丰富的观测资料。1972年斯雷尔(E．Schreier)等对CenX－3观测资料的分析表明它的X射线辐射具有4．8s的脉冲周期和2d的交食周期，从而首次确认了X射线双星系统的存在。同年韦伯斯特(B．Webster)等对CygX－1光学对应体的分析不仅表明它是一个双星吸积系统，而且致密星的质量大于5M_☉。超过了稳定中子星的质量上限(～3M_☉)，这导致了把CygX－1解释为黑洞的结论。这类X射线双星系统的发现和更细致的观测研究，有力地支持了双星吸积模型，从而也进一步推动了对这一模型的深入研究。

按照光学伴星提供质量流的方式不同，吸积系统可分为盘驱动(disk driven)和风驱动(wind driven)两类。前者是指伴星以洛希(Roche)溢出流等方式提供具有足够角动量的气体流，并通过粘滞作用逐渐向内旋进到致密星上，从而形成一环绕中子星或黑洞的吸积盘。而后者致密星主要是通过捕获伴星的强烈星风或质量抛射来获得吸积流。由于其角动量一般很小，捕获后将直接落到致密星上，因而不会形成吸积盘。X射线双星系统也可以根据光学伴星的质量分为高质量X射线双星(HMXB)和低质量X射线双星(LMXB)两大类。前者的伴星一般是质量大于10M_☉的OB型年青星，光学光度和X射线光度之比大都在0．1～10⁵之间。后者的伴星一般是质量低于1M_☉的晚于A型年老星，光学和X射线光度之比在0．1～10^－4之间，而且光学光度中有很大一部分来自X射线加热引起的次级辐射。

绝大多数HMXB都是脉冲型X射线源，脉冲周期从几十ms到数百s不等，并和射电脉冲星类似，也被解释为磁化中子星的自转周期，但周期的演化较复杂，有些变短有些变长或在两者间往复，主要决定于吸积流的角动量对中子星的力矩方向，有一部分HMXB的交食周期较短大都在1．4～10d之间，轨道也近于圆形，伴星为充满或接近弃满洛希瓣的O型超巨星。它们的X射线光变特征与平均光度有关。在低光度系统(Lx～10³⁶erg·s^－1)中一般都有时标约几十分钟的无规闪耀活动，光度幅度近100倍，而在高光度系统(Lx≥10³⁷erg·s^－1)中则没有这类变化。分析表明低光度一般和风驱动系统相应。而闪耀现象可能反映了恒星风中的不均匀性，不过这是否是风驱动系统普遍的特征尚不清楚。高光度一般和吸积流更强的盘驱动系统相应。而吸积盘内的粘滞过程可能已抹匀了初始质量流中的不均匀性。另外一类HMXB的轨道周期都长于15d，轨道偏心率也较大，伴星主要是快速旋转的Be星。其中不少伴有瞬变和爆发现象，这可能是由于Be星的快速旋转引起赤道区不稳定而导致突发性物质抛射所造成的。1984年柯伯特(R．H．D．Corbet)首先注意到这类HMXB的脉冲周期和轨道周期间有正相关，而前一类中则没有。1989年瓦托斯(J．R．Waters)等指出这种差别可能是由于两类系统中恒星风分布的不同所至。根据范登赫维(E．van den Heuvel)1972年提出的模型，HMXB可以由在质量双星系统经质量交换和超新星爆发后演化而成。而LMXB的形成可能要复杂的多，因为低质量双星系统的超新星爆发极易导致双星系统的瓦解。1975年克拉克(G．W．Clark)提出由沉到球状星团中心区的中子星通过俘获伴星而成为LMXB。1983年拉贝(J．Labay)等提出激变变星中的白矮星通过吸积而进一步演化成LMXB。

在LMXB中虽未检测到X射线的规则脉冲，1984年范德克利斯(M．van derKlis)等却意外地发现了一种准周期振荡(QPO)现象。到1989年，据报道已在11个X射线双星系统中检测到QPO现象，其中10个属LMXB。形成QPO的可能机制已提出多种，其中有1985年范德克利斯等率先提出的掩食模型；赫缪利(J．M．Hameury)等提出的热斑模型；阿尔帕(M，A．Alpar)等提出的差频模型；以及1986年波义耳(C．B．Boyle)等提出的冕振荡模型。1987年藩琴斯基(B．Paczynski)又指出广义相对论效应也能引起QPO现象。不过这些模型尚不能圆满地解释已观测到的QPO现象。在LMXB中也未观测到交食现象，1978年米尔哥罗姆(M．Milgrom)指出这可能是因为环绕X射线源的厚吸积盘的遮蔽效应。怀特(N．E．White)1981年和1982年先后发现某些LMXB有X射线偏食(Partial eclips)和周期性吸收倾斜(absorption dips)现象。据分析认为它们可能分别起因于来自中心源的X射线经吸积盘冕区的散射和来自伴星的气体流与吸积盘在流入点的相互作用。LMXB的光变特征比较复杂，有许多都表现为无规爆发，爆发间隔从几小时到几天不等。分析表明，当吸积率在一个适当范围(10¹⁵～10¹⁶g／s)内时，中子星表面附近吸积物质的积累有可能引起突发性的热核反应而形成爆发。在LMXB中有一个较为特殊的天体是HerX－1，其伴星是质量为2M_☉的A型星，但和HMXB类似地有周期为1．2s的规则脉冲和周期为1．7d的交食现象。另外还发现它有一个为期35d的变化周期，其中11d有X射线而另24d则探测不到。据认为这可能是由于中子星自转轴或吸积盘的进动所至。

X射线天文学中最有魅力的课题之一就是某些X射线双星系统中的致密源可能是黑洞。早在1939年，奥本海默(R．J．Oppenheimer)等就提出过大质量天体经引力坍缩形成黑洞的理论模型。1964年泽尔多维奇(Ya．B．Zeldovich)等指出，黑洞的引力吸积过程可以作为比热核反应更有效的天体能源。1966年又进一步建议在双星系统中寻找黑洞。根据双星系统的轨道参数可以确定其中不可见伴星的质量，如果超过稳定中子星的质量上限(～3M_☉)就有可能是黑洞，X射线双星系统的发现更激发了人们探寻黑洞的热情，因为X射线辐射是黑洞吸积的重要标志之一。到1989年，根据质量判据发现X射线双星系统中的黑洞候选者除CygX－1外还有LMCX－1和A0620－00两个。规则的快速脉冲可以看作是磁化中子星的特征标志。探讨黑洞吸积的辐射特征也吸引了许多研究者的兴趣。当CygX－1被证认为黑洞候选者后就有人提出黑洞吸积所产生的X射线辐射应具有快速闪烁和由超软谱高态与硬谱低态组成的双峰行为这两个特征。但在后来被证认为非黑洞的X射线双星系统(如CirX－1)中也发现有类似特征，因而不能作为黑洞吸积的特征标志。黑洞吸积区别于其他致密星吸积的观测特征的研究仍是一个有待解决的问题。

从质量吸积到发出X射线辐射还有一连串极为复杂的中间过程，虽然已做了大量的研究工作，但对它们的本质理解还很不够，仍需作进一步的研究。致密X射线源的重要特征之一，就是具有复杂的光变行为，在爆发源中还观测到一种间隔短至数秒的快速爆发现象和持续几分钟甚至几小时的瞬变过程，其物理本质尚不清楚。未来有关光学和X射线光变的同时性观测资料的进一步积累，将会对理解这类复杂光变行为的机制提供重要信息。QPO现象的发现，为研究X射线双星系统的吸积过程以及吸积流与致密星的相互作用开拓了一个新的领域，有关这一现象的观测资料的进一步整理和理论模型的深入研究将是近期的研究热点。

【参考文献】：

1 Giacconi R,et al. Phys Rev Letters, 1962,9:439～443

2 Shklovskii I S.Sov Astron,1968,11:749～753

3 SchreierE,et al.ApJ,1972,172:L79～89

4 Van den Heuvel E,et al. Nature Phys Sci,1972,239:67 ～ 69

5 Lewin W H G,et al. Accretion - driven stellar X - ray sources. Cambridge Univ,1983

6 Frank J,et al. Accretion Power in Astrophysics. Cambridge Univ,1985

7 Leung K C. Observation vs physical models for close binary systems. New York:Gorden and Breach, 1988

8 White N E. Astron. Astrophys Re.v,1989,85 ～ 110

9 周体健,等.天文学进展,1991,9(2):124～133

(芜湖师范专科学校吴德金撰)

随便看

科学参考收录了7804条科技类词条，基本涵盖了常见科技类参考文献及英语词汇的翻译，是科学学习和研究的有利工具。