双星演化和双致密星的形成

Many great discoveries in physics/astrophysics are closely related to binary stars. For example, the accelerating expansion of the universe has been discovered with type Ia supernovae as a distance indicator, and binary evolution is the way to produce type Ia supernovae; aLIGO has detected two gravitational-wave signals confirmed to come from the coalescence of double stellar-mass black holes. The evolution of massive binaries is likely to be the major channel for the formation of the double stellar-mass black holes. In recent years, the research of binary evolution has made an important progress in the aspect of mass transfer. This will bring significant changes to the studies of binary-related objects, some of the changes can lead to a breakthrough. Based on the important progress in the aspect of mass transfer and to contribute to the projects of gravitational wave detection in China, we put forward this research proposal. We plan to construct new scenarios for mass transfer in various types of binaries, to constrain the mass transfer process with the latest observations of double degenerates and symbiotic stars, and then apply the results to the study of the progenitors of type Ia supernovae, extremely low-mass white dwarfs, blue stragglers etc. We plan to establish a model grid for massive binary evolution (including rotation), based on which the formation of double compact stars (double stellar-mass black holes, double neutron stars, neutron star -black hole) can be studied systematically.

很多重大的物理发现都与双星密切相关。例如，人们通过Ia型超新星测距发现宇宙加速膨胀，aLIGO两次确凿地探测到来自恒星级双黑洞并合的引力波信号等。双星演化是产生Ia型超新星的必经途径，也是形成恒星级双黑洞的主要渠道。近几年，双星演化研究在动力学物质交换方面取得了重要进展，这必然会带来与双星相关的多个领域的进展，有些进展将会是突破性的。本项目在我国大力发展和推动引力波项目的背景下，拟根据这一重要进展，构建新的双星物质交换图像，通过双白矮星等对理论进一步限制，迅速推广和拓展这一成果在Ia型超新星前身星、极小质量氦白矮星、蓝离散星等形成方面的应用；建立大质量双星演化（含自转）网格、并结合双星演化的最新进展对双致密星（恒星级双黑洞、双中子星、中子星+黑洞）的形成进行系统研究。

双星在现代天文学中的重要地位已经得到共识，但双星演化的一些基本问题还未解决，导致双星演化理论预言双黑洞等引力波源的数目和性质时存在量级上的差异。本项目围绕双星演化和双致密星的形成展开，主要取得了如下重要成果：（1）建立和发展了恒星绝热物质损失模型和热平衡物质损失模型，给出了全新的物质交流动力学稳定性判据和热力学物质交换形成双星共有包层演化的判据;在此基础上重新刻画了依赖恒星质量和演化阶段的双星相互作用图像；(2)基于恒星绝热物质损失模型和能量守恒原理，精确求解共有包层的束缚能，对双星共有包层的经典能量描述进行了改进；建立了参数完备的后公共包层系统的星表，用于限制共有包层演化过程；（3）发展了白矮星吸积的共有包层星风模型，基于此模型解释了广泛流行的光学厚星风模型无法解释的Ia型超新星的一些观测现象，并对Ia型超新星的残留伴星进行了预言和搜寻；（4）对于稳定的物质转移过程，我们在白矮星吸积和爆发、中子星吸积等过程中考虑了更细致的物理过程，对新星性质、超软X射线的光变特征、中子星吸积的最大质量等；研究了不同物质转移描述对稳定物质交换形成双星的质量-周期关系的影响，发现热亚矮星-氦白矮星双星中白矮星质量和其周期之间同样存在紧密的关系；（5）建立了双白矮星形成模型，给出了这类天体的引力波辐射特性和空间引力波探测器可分辨源；（6）在双致密星引力波源方面，我们通过双星星族合成模型很好地解释了双中子星电磁观测和引力波观测之间的质量差异；通过新的磁滞效应解释了中子星-极小质量氦白矮星的形成问题；考虑氦白矮星真实结构，研究发现AM CVn 星和极端致密 X 射线源的引力波辐射频率和氦 白矮星的质量之间有很好地对应关系；建立了热亚矮星+中子星的形成模型；（7）基于LAMOST开展了双星族研究和特殊双星的发现研究，给出了LAMOST早型星双星族的统计性质以及LAMOST光谱双星的质量比分布;从LAMOST光谱中发现了1162颗Be星的候选体，并确定了183颗新的经典Be星；（8）对蓝色大振幅脉动变星的性质和起源进行了研究。