Formation of neutron stars via accretion-induced collapse and core-merger-induced collapse inside planetary nebulae from white dwarf binaries

技术摘要：行星状星云内部通过 AIC 和 CMIC 形成中子星

问题陈述
虽然通过吸积诱导坍缩（AIC）和并合诱导坍缩（MIC）形成中子星（NSs）是一条已知的理论途径，但此前文献中并未认真考虑这些事件发生在行星状星云（PNe）内部的具体情景。现有研究探讨了在特定第三体条件下，行星状星云内或行星状星云之后形成中子星的情况，但通过涉及白矮星（WDs）和巨星的双星演化通道，直接在行星状星云内形成中子星的过程仍未被探索。本文旨在填补这一认知空白，探讨氧 - 氖 - 镁（ONeMg）白矮星双星系统是否能在仍嵌入其前身系统星云结构中的情况下演化为中子星。

方法论
本研究采用两种不同的计算方法来模拟两种提出的演化通道：

1. 恒星演化模拟（MESA）：

   • 代码： 使用恒星天体物理实验模块（MESA）代码（版本 15140）模拟一维双星演化。
   • 系统： 一个由 1.2 $M_\odot$ 非磁性 ONeMg 白矮星和 1.5 $M_\odot$ 红巨星（RG）组成的双星系统，初始轨道周期为 120 天。
   • 物理过程： 模拟结合了基于 Kolb & Ritter (1990) 公式的洛希瓣溢流（RLOF）质量转移、恒星风（RGB 阶段使用 Reimers 公式，AGB 阶段使用 Blocker 公式）以及角动量演化。
   • 吸积物理： 质量留存效率基于稳定的氢和氦燃烧公式计算（Hillman et al. 2015; Kato & Hachisu 2004）。追踪白矮星质量增长，直至其接近钱德拉塞卡极限。

2. 双星种群综合（BPS）：

   • 代码： 使用更新版本的 BSE（双星演化）代码模拟 $10^7$ 个原始双星系统。
   • 初始条件： 主星质量遵循 Kroupa et al. (1993) 的初始质量函数；质量比遵循平坦分布；初始间距遵循幂律分布；金属丰度固定为 $Z=0.02$。
   • 物理过程： 模型包含质量转移、恒星风、潮汐相互作用、公共包层（CE）演化（使用 $\alpha$-形式，其中 $\alpha_{CE}=1.0$ 且 $\lambda=0.5$）以及超新星踢。
   • 焦点： 模拟专门追踪 ONeMg 白矮星双星系统，其中白矮星在公共包层阶段与伴星巨星的核心并合，前提是总核心质量超过钱德拉塞卡极限（$1.44 M_\odot$）。

主要贡献与提出的通道
本文提出了两种在行星状星云内形成中子星的新颖演化路径：

1. 共生星云通道（AIC）：

   • 机制： 在白矮星 - 红巨星（或白矮星 -AGB 星）双星系统中，巨星伴星通过恒星风和/或稳定的洛希瓣溢流损失质量。这些质量形成包围双星的星云。中心吸积的 ONeMg 白矮星通过稳定吸积增长质量，直至达到钱德拉塞卡极限并发生 AIC。
   • 星云电离： 由此产生的星云（称为“共生星云”）被巨星的炽热核心或吸积白矮星本身电离。
   • 结果： 形成一颗中子星，该中子星很可能保留其白矮星伴星，从而形成一个中子星 - 白矮星双星系统。

2. 核心并合诱导坍缩（CMIC）通道：

   • 机制： 在 ONeMg 白矮星双星系统的不稳定质量转移阶段，系统进入公共包层（CE）阶段。白矮星向内旋进并与伴星巨星的炽热核心并合。
   • 坍缩条件： 如果白矮星与巨星核心的合并质量超过钱德拉塞卡极限，该并合将触发坍缩（CMIC），而不是 Ia 型超新星爆发。
   • 结果： 形成一颗新生中子星（可能是脉冲星），其嵌入在膨胀的公共包层物质中，这可能表现为行星状星云或脉冲星风云。

结果

• MESA 模拟结果：

  • 模拟表明，ONeMg 白矮星可以从红巨星伴星吸积足够的质量以达到钱德拉塞卡极限。
  • 在演化过程中，红巨星损失了约 $0.4 M_\odot$，其中约一半被白矮星吸积，其余部分被抛射形成周围星云。
  • 即使在被剥离包层后，伴星巨星的核心质量仍保持足够大（$>0.3 M_\odot$），使其有效温度足以电离星云。
  • 研究指出，此前类似的模拟（例如 Ablimit 2023）未讨论由此产生的行星状星云；本研究明确将质量损失与星云形成联系起来。
  • 在涉及高磁化白矮星的情况下，抛射质量可能显著更高，可能通过喷流启动形成双极星云。

• BPS 模拟结果：

  • 估计银河系内通过行星状星云内部 CMIC 形成中子星的形成率约为 $\sim 3.6 \times 10^{-4} \text{ yr}^{-1}$（假设恒星形成率为 $2 M_\odot \text{ yr}^{-1}$）。
  • 导致 CMIC 的系统的公共包层质量和总核心质量分布显示出广泛的范围，适合形成星云和中子星。
  • 在旋进过程中，炽热的白矮星和巨星核心可达到的温度（$\sim 30,000$ K）足以电离公共包层，而新生中子星可能通过脉冲星风进一步为星云提供能量。

意义与主张
本文声称是首篇认真考虑并通过双星演化建模行星状星云内部中子星形成的文献。

• 新颖性： 它引入了由白矮星 - 红巨星质量转移导致 AIC 而形成的“共生星云”概念，并扩展了 CMIC 的定义，将其包含在导致行星状星云内中子星形成的白矮星双星公共包层内的并合。
• 种群： 作者认为，银河系可能拥有数十个通过所述 AIC 通道形成的中子星 - 白矮星双星系统。
• 观测前景： 本文提出，下一代地基和空间望远镜可能很快为这些情景提供令人信服的证据，特别是通过观测位于膨胀行星状星云内部的脉冲星风云。
• 理论影响： 这些发现为行星状星云这一特定环境中发生的罕见现象（如白矮星坍缩和爆炸）提供了新的见解，完善了我们对双星恒星演化的理解。