相接双星的结构和演化研究

杨雪艳， 桂子昌， 吴荣芳， 朱梓楠， 吴昕谕, 那维炜

(1.玉溪师范学院 物理系，云南 玉溪，653100；2.云南大学 物理系，云南 昆明，650091;3.玉溪第一中学，云南 玉溪，653100)

1 引 言

星系和星团中大约50%的恒星都是双星或聚星的形式存在,了解双星的结构和演化对研究星系和星团的演化具有重要意义.

相接双星是指相距很近，子星间发生强烈的引力、辐射和物质相互作用的系统.在观测上，一般将相接度小于20%的相接双星称为浅度相接双星；相接度大于50%的称为深度相接双星.洛希(Roche)模型是研究双星的一个非常重要的物理模型,Kopal根据双星系统两颗子星的物质是否充满洛希瓣，将双星分为3类[1]:(l)分离双星，即两颗子星都没有充满洛希瓣；(2)半接双星，即只有一颗子星充满洛希瓣； (3)相接双星，即两颗子星均充满洛希瓣.

自20世纪六七十年代以来，相接双星的观测和理论研究得到蓬勃发展.与恒星的结构和演化理论已经能很好地模拟和解释绝大多数观测特性不同，从1968年Lucy提出热平衡模型[2]直到目前的热弛豫震荡(Thermal Relaxation Oscillation,TRO)[3-4]理论都无法完备地解释相接双星的复杂观测特征,如：热平衡模型能用等熵假设很好地解释相接双星EW型光变曲线导致的Lucy徉谬，但模型本身不稳定[5]，且不能满足晚型光谱型、小质量、处于P-P链核反应阶段的相接双星的光变曲线、周期-颜色关系等的限制[6-7].TRO理论克服了热平衡模型不稳定的弊端，但要求相接双星的轨道演化过程中产生“相接——半相接——相接”的循环震荡，Robertson等用数值方法模拟了相接双星系统在107a的时标内完成了一个TRO循环[8].

建立相接双星演化理论,关键在于相接双星中各种复杂物理过程的处理和建模,Huang等人的模型对相接双星子星间能量和物质转移提出了不同的处理[9-10],本文依据他们提出的模型,对两个具有不同初始周期的相接双星系统的演化轨迹进行了计算,并对其相接状态的演化进行了初步探究.

2 相接双星演化的数值模拟

2.1 系统A的演化轨迹模拟

采用Huang等人的相接双星模型[9-11]，模拟一个次星质量为6 M⊙，主星质量为9 M⊙构成的系统，设初始周期为P0=2.772 d.

从赫罗图(HR图,图1)可以看出：主星演化从零龄主序Ap点开始演化，从Ap到Bp恒星中心氢燃烧，并在Bp点开始演化到半接状态，物质从主星流向次星，直到CP点主、次星都充满洛希瓣开始相接状态的物质交换，从CP点向后主星向外膨胀，演化为红巨星，所以光度也在增大，演化至Dp点时，主星攀升至渐进巨星(AGB)分支顶端，外层物质大量向宇宙空间抛射形成行星状星云，从此之后演化轨迹开始向左迅速运动，最后沿白矮星冷却线演化为白矮星.

图1 模型A的HR图(P为主星，S为次星)

次星演化从As点开始，由于次星是得到物质的，所以图中轨迹表示光度和温度都在增加，导致其在主序上的演化轨迹变化范围特别宽.但是在整个模型计算的时间里，仅进行了主序演化.

2.2 系统B的演化轨迹模拟

将上一模型的初始周期修改为为1.808 d，其演化轨迹以及其相接状态的演化如图2-图4.

图2 主星演化HR图

图3 次星演化HR图

Fig.3 HR diagram on the evolution of the Secondary

(IOVER=0为分离，IOVER=1为半接，IOVER=2为相接，IOVER=3为过相接并通过外拉格朗日点发生物质损失)

图4相接状态演化时间图

Fig.4 The evolutionary status of contact

由于模型B比模型A的系统子星间距离更近，从图2可以看出，主星在大致按照自己原有的演化轨道演化至HR图右侧，即红巨星分支低端时，演化至相接状态，并迅速演化为过相接，通过外拉格朗日点发生物质转移，从图4可以看出，物质损失率约0.16 M⊙/3 500 a.而次星在相接阶段获得大量主星的物质之后，演化进程明显加快，从图3可以看出，其已经离开主序正在向红巨星过渡.

3 结束语

本文从理论上对相接双星的结构和演化进行了研究，介绍了相接双星模型和相接双星在演化中的重要的物理过程，并计算模拟了相接双星演化轨迹.从对模型A和模型B的数值模拟对比研究可以看出，相接双星由于相互之间引力和物质转移，使得各个子星的演化与单一恒星的演化进程完全不同，且系统的初始周期(或初始间距)是非常重要的参数，可从时间和速率上影响物质交换，进而对双星的轨道演化、子星的最终演化归宿等产生显著影响.