双星物质交换的动力学非稳定性判据

Binary evolution theory is very important in astrophysics since about half of the stars are in binary systems. Most of the important phenomena in observations, e.g., Type Ia supernovae explosion, X-ray sources, gravatational radiation sources in binaries, are all related to binary evolution. There are still two basic problems unresolved in binary evolution theories. The first one is whether the mass transfer in binaries is dynamically unstable, and the second one is the formation and evolution of common envelope. We focus on the first problem and study it based on the stellar rapid mass loss model. We aim to solve the problem as follows in this project：(1). we study the adiabatic response of the donor stars undergoing rapid mass tranfer based on the rapid mass loss model; (2). we calculate the criteria for dynamically unstable mass transfer in binaries, while the total mass and angular momentum are assumed to be conserved and unconserved, respectively; (3). we plan to solve the problem that the long-period (P > 10 days) sdB + G or K-type dwarf binaries are hard to be generated based on the current theoretical predictions. We expect to build the grid of the criteria against the dynamical mass transfer for the donor stars on the whole Hertzsprung-Russell diagram. After the problem above being solved, we may improve our knowledge on both the binary evolution and related objects.

双星演化在天体物理研究中至关重要。天文观测中的众多重要天体，如Ia型超新星、X射线源、双星引力波辐射源等均与双星演化密切相关。双星演化理论中至今仍有两个基本问题没有解决。第一：双星的物质交换过程是否稳定；第二：公共包层的形成和演化。本项目瞄准第一个基本问题，拟采用恒星快速物质损失模型，对以下三方面的内容进行研究：（1）通过恒星快速物质损失模型，研究各类恒星在快速物质损失过程中的内部结构参量和表面物理参量的变化规律；（2）结合快速物质损失模型的结果，系统地研究质量和角动量守恒和非守恒时双星系统物质交换的动力学非稳定性判据；（3）通过我们给出的判据，解决理论预测的长周期热亚矮星双星严重不足的问题。通过以上研究可以得到不同质量、不同演化阶段（主序、赫氏空隙、红巨星支、渐进巨星支等等）的恒星物质交换的动力学非稳定性判据的网格，解决双星演化中的一个基本问题，即双星物质交换是否稳定。

恒星物理是当代天体物理的奠基科学，而恒星中有一半以上是双星系统。双星演化在天体物理研究中至关重要。天文观测中的众多重要天体，如Ia 型超新星、X 射线源、双星引力波辐射源等均与双星演化密切相关。双星演化理论中至今仍有两个基本问题没有解决。第一：双星的物质交换过程是否稳定；第二：公共包层的形成和演化。本项目瞄准第一个基本问题，采用恒星快速（绝热）物质损失模型，对以下内容进行了研究：（1）通过恒星快速物质损失模型，研究了各类恒星在快速物质损失过程中的内部结构参量和表面物理参量的变化规律；（2）结合快速物质损失模型的结果，系统地研究了守恒和非守恒时双星系统物质交换的动力学非稳定性判据；（3）通过我们给出的判据，发现红巨星支恒星更趋向稳定的物质交换，为解决理论预测的长周期热亚矮星双星严重不足的问题提供了一个可能的解释。我们的重要结果如下：（a）根据充满洛希瓣而发生物质交换的恒星外壳结构的不同，恒星快速物质损失过程半径会膨胀或者收缩。当恒星外壳物质被损失掉后会膨胀而重新达到流体静力学平衡。若恒星的外壳为辐射区主导，因为辐射区密度梯度很大，恒星膨胀少许即达到平衡，相对于初始恒星半径，恒星反而收缩，因此这类恒星若充满洛希瓣发生动力学非稳定性物质交换的质量比判据更大；若恒星的外壳为对流区主导，因为对流区密度梯度约为零，恒星会急剧膨胀，相对于初始恒星半径恒星会膨胀，因此这类恒星若充满洛希瓣发生动力学非稳定性物质交换的质量比判据较小，但由于外壳密度太低质量比判据还是相对于以往多方模型给出的结果更大。（b)利用绝热物质损失模型，我们给出了整个赫罗图上大中小质量恒星的动力学非稳定物质转移的质量比判据qcrit。主序恒星：辐射外壳的恒星年龄越大qcrit越大、质量越大qcrit越小；小质量恒星质量越大qcrit越大；质量小于0.5Msun的恒星qcrit约2/3。红巨星支和渐近巨星支顶部的恒星：比多方模型得到的qcrit更大，也就是物质转移更加稳定。我们还发现巨星支恒星在发生动力学物质转移之前，恒星的半径会超过外拉格朗日点，说明这类恒星即便是动力学稳定的，也可能会进入公共包层演化或相接阶段。通过以上研究我们得到了不同质量、不同演化阶段（主序、赫氏空隙、红巨星支、渐进巨星支等等）的恒星物质交换的动力学非稳定性判据的网格，为解决双星演化中的基本问题，即双星物质交换是否稳定迈出了坚实的一步。