低质量X射线双星千赫兹准周期震荡研究

Low mass X-ray binaries have discovered many kilohertz quasi-periodic oscillation (kHz QPO) phenomena, which are helpful to probe the magnetic field, the gravitational field and other physical properties of the neutron stars, and to probe the accretion environment of the binaries. The proposal aims to explore the emission mechanism of kHz QPOs, the accretion environment and the evolution of the close binaries: analyze the correlation between the frequencies of the kHz QPOs and the neutron star spins, then explore the emission mechanism of kHz QPOs, and estimate the neutron star spins of other kHz QPO sources; collect and calculate the innermost emission positions of the kHz QPOs, and apply them to constrain the neutron star radii, then explore how the accretion process affects the spin evolution of the neutron stars; probe the emission positions of the different branches of atoll/Z sources by kHz QPOs, and analyze the physical properties of the different branches and the formation mechanism of the spectrum states; explore the relation between the innermost steady circular orbit radius, the emission radii of the kHz QPOs and the co-rotate radius of the close binary of SAXJ 1808.4-3658, and analyze its accretion environment and the period-magnetic field evolution process. We will combine the observational statistics with the theoretical analysis, and take the kHz QPOs as the tool to explore the accretion environment and evolution of the low mass X-ray binaries, and provide the theoretical reference for the further observations.

低质量X射线双星发现了大量千赫兹准周期振荡（kHz QPO）现象，其有助于探测中子星磁场、引力场等物理性质和双星吸积环境。本课题旨在探索kHz QPO的发射机制、密近双星吸积环境及演化：分析kHz QPO频率与中子星自旋频率的相关性，探索kHz QPO的发射机制，估计其它kHz QPO源的中子星自旋；统计计算kHz QPO最内发射位置，应用其约束中子星半径，探索吸积过程对中子星自旋演化的影响；利用kHz QPO探测atoll/Z源各分支发射位置，分析各分支物理性质及谱态的形成机制；探索SAXJ 1808.4-3658中子星最小稳定圆轨道半径、kHz QPO发射半径、密近双星共转半径间关系，分析其吸积环境及中子星周期-磁场演化过程。我们将结合观测统计和理论分析，以kHz QPO为探针，探索低质量X射线双星的吸积环境及演化，为将来进一步观测提供理论参考。

项目执行期间，本团队基本按照原计划开展研究工作：首先，我们发现kHz QPO上、下频差与中子星自旋频率比值的分布在～0.65处存在一个间隙，以此能将源分成两类，这一结论可以约束Z源中子星自旋频率范围。其次，我们发现atoll/Z源的最内kHz QPO发射半径集中于~16-20 km，并怀疑其与中子星表面强引力场和强磁场有关。同时，这一结论暗示kHz QPO最内发射位置可能在~15 km，从而约束中子星半径<15 km。再次，我们发现atoll源kHz QPO发射位置集中于~16-19 km，而Z源水平分支和正常分支的kHz QPO发射位置分别位于~16-20 km和~20-30 km。同时，随着kHz QPO的发射半径从~33 km缩短至~16 km，其磁场强度降低~1个量级。因此，我们建议吸积盘半径、磁场及吸积环境与atoll/Z源形成有关。最后，我们发现SAX J1808.4-3658的kHz QPO上、下频差与中子星自旋频率比值的分布< 0.65。同时，我们发现该源kHz QPO发射半径位于共转半径以里，中子星星体半径之外，这暗示该源kHz QPO发射于吸积加速状态。此外，我们还研究了kHz QPO平行线现象、毫秒脉冲星起源、回旋吸收线演化、毫秒脉冲星X射线/射电辐射转换等现象。三年间，基于本项目共发表SCI论文11篇，中文核心论文4篇，且项目成员还在国内相关学术会议中报告了研究成果。同时，本团队共培养2名硕士研究生，其中1名已经于2020年考上博士。