第一章緒論

太陽系外行星(簡稱系外行星)是指太陽系以外的行星。截止2015年9月30日,己經(jīng)有近2000顆系外行星被發(fā)現(xiàn)(1962行星中有1241個(gè)行星系統(tǒng),其中包括488多行星系統(tǒng))。由于行星相對于其母恒星都是極其微弱的光源,要在母恒星光譜內(nèi)同時(shí)檢測出這種微弱的光源,非常困難。也因?yàn)槿绱?只有很少的系外行星被直接觀測到。目前探測系外行星的方法總結(jié)出來有以下幾種:1)視向速度法:恒星與行星圍繞雙星的質(zhì)心旋轉(zhuǎn),恒星會(huì)以在小軌道上的移動(dòng)回應(yīng)行星的引力。只要能在恒星譜線上測量恒星移動(dòng)時(shí)潮向或遠(yuǎn)離地球的速度,就能得到行星的信息。隨著時(shí)間的推移,恒星抵達(dá)地球的光度是變化的。但是,只有在行星的軌道與觀測點(diǎn)對齊時(shí)才能觀測到。由于行星的軌道平面在視線方向上橫越過恒星前方的機(jī)率與恒星的大小與行星軌道直徑的比率有關(guān),大約有10%小軌道的行星符合標(biāo)準(zhǔn)。

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第二章Lidov-Kozai機(jī)制

2.1測試粒子極限下軌道四極矩運(yùn)動(dòng)方程

由于假設(shè)內(nèi)雙星其中一顆星體是測試粒子,忽略其質(zhì)量,我們可認(rèn)為內(nèi)軌道角動(dòng)量遠(yuǎn)小于外軌道角動(dòng)量。在三體演化過程中,外軌道的狀態(tài)幾乎不發(fā)生改變,即偏也率62不變且外角動(dòng)量單位矢量如固定。由此我們能得出下結(jié)論:當(dāng)軌道間夾角接近90°時(shí),內(nèi)雙星偏心率無限接近1。5)我們現(xiàn)在用軌道參量方程組來計(jì)算一個(gè)實(shí)例。選取軌道。內(nèi)雙星偏也率與夾角隨時(shí)間演化如圖2.4�？砂l(fā)現(xiàn)偏心率與夾角出現(xiàn)周期性震蕩,并且也率最大值接近化。

2.2相似質(zhì)呈下軌道四極矩運(yùn)動(dòng)方程

在相似質(zhì)量情況下,不再守恒,外軌道也會(huì)發(fā)生振蕩。1)為了與測試粒子情況比乾我們依舊采用上一節(jié)2.5圖2.4的軌道參數(shù)�？傑壍篱g夾角依舊為70°,其中內(nèi)雙星角動(dòng)量方向與三體總角動(dòng)量方向夾角為化。我們積分方程組(2.38)-(2.44),在圖2.6畫出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果。圖中紅色線表示數(shù)值計(jì)算結(jié)果,藍(lán)色線表示測試粒子情況下圖2.4的數(shù)值結(jié)果�？梢园l(fā)現(xiàn)與測試粒子情況不同的是,在外軌道偏瓜率與夾角隨時(shí)間發(fā)生演化,而且內(nèi)雙星角動(dòng)量延軸產(chǎn)生振蕩但是測試粒子極限下保持不變。

第三章短程力對Kozai效應(yīng)的抑制...35

3.1引言...35
3.2運(yùn)動(dòng)方程...35
3.3短程為效應(yīng)...36
第四章層級(jí)三體系統(tǒng)的雙星合并:雙星偏也率的共振激發(fā)……59
4.1引言...59
4.2運(yùn)動(dòng)方程...59
第五章繞旋超大質(zhì)量雙黑洞的恒星雙星演化:潮汐撕裂與合并...73
5.1引言...73
5.2參數(shù)空間...74
5.3N-body模擬........78

第四章層級(jí)三體系統(tǒng)的雙星合并:雙星偏心率的共振激發(fā)

4.1引言

在這項(xiàng)工作里,我們研究在第三顆星微擾下的合并雙星的演化。一般來說,只有在很大的軌道傾角下,內(nèi)雙星(合并雙星)才會(huì)有明顯的軌道變化(偏也率激發(fā))。但是,如果引入廣義對論的近星點(diǎn)進(jìn)動(dòng)效應(yīng),在Kozai機(jī)制無法起作用的區(qū)域仍會(huì)出現(xiàn)偏也率的激發(fā)。在以前的一些工作中,指出內(nèi)雙星的偏心率之所以被激發(fā),是由于廣義相對論的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)與引力勢能存在某種共振。雖然上述效應(yīng)己經(jīng)被研究過,但是共振的物理起源并沒有得到充分的解釋:在什么樣的條件下偏也率才能被激發(fā)。受他們工作的啟發(fā),我們從解析與數(shù)值的角度系統(tǒng)的來理解廣義相對論的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)如何影響合并雙星的動(dòng)力學(xué)演化。簡單的說,我們采取低偏也率和共面的近似,推導(dǎo)出解析的共振條件。

4.2運(yùn)動(dòng)方程

在圖4.1中,對于給定的mi,TO2還有內(nèi)雙星軌道半長軸,我們畫出變化。特別的,我們選擇了幾種不同大小的。坦意味著致密雙星處在這樣一個(gè)距離時(shí)能夠發(fā)生共振。換句話說,圖中曲線上的每一點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)發(fā)生共振的三體系統(tǒng)。這里,由方程代表內(nèi)雙星處在這樣一個(gè)距離時(shí)福射引力波頻率進(jìn)入LISA的工作波段(參考方程4.34)。類似的。圖上結(jié)果所有的曲線都在曲線的左邊。掛意味著對應(yīng)的共振態(tài)發(fā)生在宇宙哈勃時(shí)標(biāo)之內(nèi),并且對應(yīng)的引力波頻率分別進(jìn)入了LISA與LIGO工作頻段,將來有可能可以被觀測到。圖4.3的左圖對應(yīng)的是較小的外偏心率。共面系統(tǒng)一直演化直至雙星發(fā)生合并。在演化過程的早起,內(nèi)雙星的偏屯、率在第三顆星四極矩勢能的微擾下經(jīng)歷了小振幅的振蕩。隨著軌道的逐步衰減,變得與訪2平權(quán),共振開始起作用。偏心率ei取得峰值ei,peak。后來,廣義相對論效應(yīng)在高偏心率的狀態(tài)下主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)演化,使得雙星軌道圓化。與偏心率激發(fā)對應(yīng)的,外雙星的偏心率62減小,而引力波頻率發(fā)生了輕微的改變。

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第五章繞旋超大質(zhì)量雙黑洞的恒星雙星演化:潮汐撕裂與合并

5.1引言

這一章,我們研究合并星系中的恒星雙星的動(dòng)力學(xué)演化,包括恒星雙星的合并與潮汐瓦解事件。首先,我們考慮一個(gè)恒星雙星繞旋第一顆超大質(zhì)量黑洞,在較遠(yuǎn)處存在另一顆超大質(zhì)量黑洞繞旋這組王體系統(tǒng)(參考圖5.1的左圖)。這里,我們引入恒星雙星的質(zhì)量,第一顆超大質(zhì)量黑洞m2,以及第二顆超大質(zhì)量黑洞。對于軌道參數(shù)我們采用化2,3作為軌道半長軸,ei,2,3作為軌道偏心率,且r i,2,3作為每一個(gè)雙星的兩部分間的距離。角標(biāo)"1,2,3"分別標(biāo)記雙星A,B與C(參考圖5.1的右圖)。值得注意的是,我們所研究的四體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以被分解為兩個(gè)三體系統(tǒng)。"內(nèi)三體"由超大質(zhì)量黑洞-恒星雙星構(gòu)成,包含雙星A與第一顆超大質(zhì)量黑洞如2);如果相距離滿足雙星A可以被視作測試粒子質(zhì)量相比超大質(zhì)量黑洞來說可忽略不計(jì))。因此,雙星B與第二個(gè)超大質(zhì)量黑洞(m2)可以組成"外三體"系統(tǒng)。特別是,當(dāng)兩個(gè)三體系統(tǒng)各自的軌道平面(每個(gè)三體系統(tǒng)中包含兩個(gè)軌道平面)夾角處于40°-140°之間,雙星系統(tǒng)的偏心率會(huì)發(fā)生Kozai振蕩由于雙星與超大質(zhì)量黑洞會(huì)發(fā)生近距離相互作用,軌道近似在這種情況下不適用。這里,我們嘗試用N-body數(shù)值積分來探討恒星雙星在四體系統(tǒng)中的演化,并跟蹤雙星的最終命運(yùn),包括潮汝撕裂,合并或者存活。最后,我們進(jìn)一步將研究擴(kuò)展至合并的超大質(zhì)量雙黑洞體系。

5.2參數(shù)空間

從圖5.2我們可得知,對于某一位置(O2)的恒星雙星,隨著超大質(zhì)量雙黑洞距離0,3的減小,Kozai振蕩的時(shí)標(biāo)會(huì)發(fā)生改變,使整個(gè)四體系統(tǒng)從由"內(nèi)三體"Kozai振蕩主導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)過度到以"外三體"Kozai振蕩為主導(dǎo)。在參數(shù)空間(中,如果"內(nèi)三體"(雙星A與第一個(gè)超大質(zhì)量黑洞)的兩個(gè)軌道平面夾角大于40°,Kozai機(jī)制發(fā)生作用。雙星A的偏心能夠被激發(fā)至接近1,導(dǎo)致在近星點(diǎn)時(shí)發(fā)生合并。此時(shí),來自第二個(gè)超大質(zhì)量黑洞的微擾可以忽略不計(jì),62保持不變。近幾年,由Kozai機(jī)制主導(dǎo)的雙星合并經(jīng)研究得很充分(e.昏,[49][106]),且雙星的合并率(主序星、巨星或致密星雙星)在超大質(zhì)量黒洞的影響下顯著提髙。另一方面,在參數(shù)空間中,如果"外三體"(雙星B與第二個(gè)超大質(zhì)量黑洞)的兩個(gè)軌道平面夾角處于40°-140°,四體動(dòng)為學(xué)演化將由"外三體"的Kozai振蕩主導(dǎo)。這種情況下,比ei激發(fā)的更快,使得雙星A以非常大楠率的開普勒軌道繞旋超大質(zhì)量黑洞,近星點(diǎn)距離隨之縮小。

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參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號(hào)：148755