致密星密近双星及其晚期演化的星族合成研究

Today's sensitive telescopes greatly expedite the study of the compact star. The object sample is increasing day by day, showing a new trend of higher redshift. But statistical studies also find more new questions needed to answer, including: the strange distributions (such as spatial position and luminosities) of low mass X-ray binaries (LMXBs), the outburst mechanism of supergiant fast X-ray transients, the explanation of statistical correlations of Gamma-ray bursts (GRBs), the difference between the long GRB formation rate and cosmic star formation rate (SFR) expectations, etc. This project will use the latest observational data to investigate the problems above. By exploring the population synthesis method, we plan to calculate the kinetic evolution of LMXBs in the galactic field; to calculate the dynamical evolution of LMXBs in the globular cluster and galactic core zone; to investigate the possible links among different types of HMXBs; combining the latest GRB data to calculate the formation rate of short GRBs (and gravitational wave sources), and model the statistical correlations; to calculate the formation rate of long GRBs and analyze their links to the cosmic SFR, etc. This project is of great importance to perfect the theoretical models of binary evolution, to understand the origin, evolution and physical nature of XRBs, to explore the origin and progenitor of GRBs, and to study the high red-shift universe, etc.

近年来，高性能望远镜的投入使用极大推动了致密星领域的发展。观测样本日益丰富，且呈现向高红移发展的新态势，但统计研究也提出了新的问题，如：低质量X射线双星的特殊分布（如空间位置和光度），超巨星快速X射线暂现源的爆发机制，伽玛暴统计关系的解释，长暴诞生率与宇宙恒星形成率预期的差异等。本项目将利用最新观测数据和结果，对上述问题提供可能的解决方案。利用星族合成方法，我们将计算星系场中低质量X射线双星的运动学演化；计算球状星团和星系核区X射线双星的动力学过程；探索不同类型高质量X射线双星的可能联系和关联；结合伽玛暴最新数据计算短暴（和引力波源）诞生率和模拟各种观测量统计关系；计算长暴率的宇宙学演化等。项目研究对完善双星演化理论，理解X射线双星起源、演化和物理本质，探索伽玛暴起源和前身星，研究高红移宇宙等均有重要价值。

致密星（如白矮星、中子星、黑洞）双星是研究极端物理情形下物理规律的天然实验室，对研究恒星演化、高能天体物理、引力理论及宇宙学等均有重要的科学意义。进入21世纪以来，高性能探测设备（如Chandra, INTEGRAL, Swift, Fermi, LIGO, Virgo, etc.）的投入使用极大丰富了源的数目和种类（如X射线源，伽玛暴源，引力波源等）, 呈现出向大样本、高红移延伸的新趋势。在此背景下，利用星族合成方法，对致密星密近双星进行大样本数值模拟迫不及待。. 我们依据最新的观测数据，对致密星密近双星及其晚期演化开展了广泛的星族合成研究。研究内容包括：Ia型超新星前身星的星族合成研究、中等质量脉冲双星的白矮星-氦通道的研究、经典高质量X射线双星的星族合成和运动学特征（即光度-位移关系）的研究、快速射电暴的星族合成和运动学研究等。此外，开展了伪牛顿势下行星轨道进动问题、特殊食双星的研究等。. 通过研究，我们得到了一批原创性的成果，包括：对简并核通道诞生Ia型超新星进行计算，发现此通道下 SN Ia 延迟时间基本上在 90-2500 Myr 的范围内，可以和具有短和中间延迟时间的SNe Ia相比较；发现 ONe WD + He 星通道可以解释几乎所有观测到的具有短轨道周期的中等质量脉冲双星；利用高质量 X 射线双星特殊的光度分布规律和光度-位移规律，对重要双星演化过程(如公共包层机制)进行限制；研究了双中子星（BNS）并合模型下快速射电暴（FRB）的诞生率及空间位移量问题等。研究成果可进一步应用到引力波源/伽马射线暴等方面的后续工作之中。