综述：演化中的低质量和中等质量双星系统：对经典理论的偏离

《NEW ASTRONOMY REVIEWS》：Evolving Low- and Intermediate-Mass Binaries: Departures from Classical Theory

双星系统演化机制研究，重点分析低中质量双星中挑战经典Roche瓣理论的物理过程，包括偏心轨道和非同步旋转下的修正模型、风物质吸积与角动量交换机制、潮汐耗散理论进展，以及质量转移和 circumbinary 盘相互作用引发的轨道偏心率维持与激发机制。

　　

Lionel Siess

布鲁塞尔自由大学（ULB）天文与天体物理研究所及布鲁塞尔宇宙实验室（BLU-ULB），地址：F.D. Roosevelt大道50号，邮编CP226，布鲁塞尔1050，比利时

摘要

本文探讨了驱动低质量和中等质量双星系统演化的物理机制，特别关注那些挑战传统范式的新兴机制。首先，我们描述了双星系统的主形成途径和轨道特性。接着，对罗什瓣（Roche lobe）理论进行了重新评估，重点讨论了轨道偏心和旋转不同步的系统，在这些系统中，传统近似方法的偏差变得显著。随后，我们回顾了通过罗什瓣溢流实现质量和角动量交换的当前理论模型，并结合了最近关于风吸积的流体动力学模拟结果。此外，本文还介绍了潮汐耗散理论的进展。最后，我们探讨了能够维持或增加轨道偏心率的机制，包括由质量转移和与环双星盘相互作用引起的扰动。这些讨论旨在揭示双星演化中尚未充分研究的方面，为理论和观测研究提供新的视角。

引言

双星在天体物理学中占据核心地位，它们为理解各种恒星现象提供了框架，并在宇宙演化中起着关键作用。双星系统为蓝离散星、新星、Ia型超新星（SNIa）、激变变星或伽马射线暴等特殊天体的形成提供了演化路径。它们还被用来解释化学性质特殊的恒星（如Ba星或CH星），以及行星状星云和演化恒星的周围环境。

双星在银河系化学富集过程中也起着重要作用。它们在生命周期中喷射的物质，以及它们潜在的爆炸性终结阶段释放的物质，对星际介质的富集做出了重要贡献。例如，中子星合并过程中富中子物质的解压已被认为是一个快速中子捕获（r过程）元素核合成的有希望的场所（Just等人，2023年），而铁主要通过SNIa产生（Matteucci和Greggio，1986年）。

双星还是引力波的来源，这些引力波由含有黑洞和中子星的致密双星系统合并产生。这些事件为双星相互作用提供了直接的观测证据，并为研究致密天体打开了新的窗口，有助于我们深入了解它们的性质和引力的本质。在行星形成方面，双星也具有重大影响：它们的动态环境塑造了行星系统的形成和后续演化，对系外行星的分布和性质产生了影响。此外，双星系统使我们能够精确测定恒星的质量，在某些情况下还能测定其半径。这些测量对于检验恒星模型和理解恒星结构与演化至关重要。对双星系统的观测还为双星物理提供了约束，有助于完善恒星相互作用、喷流形成、吸积盘动力学和演化路径的模型。通过SNIa，双星系统还提供了估计银河系距离的方法，使它们成为宇宙学中的重要工具。双星的影响贯穿天体物理学的许多领域，不仅包括恒星演化、核合成和引力波天文学，还包括作为研究质量与角动量交换相关复杂物理过程的天然实验室。因此，它们为我们探索和深化对基本天体物理过程的理解提供了独特的机会。

本文并不旨在全面回顾双星演化，这一主题已在最近的教科书和综述文章中得到充分讨论（例如Eggleton，2011年；Tauris和van den Heuvel，2023年；Chen等人，2024年；Marchant和Bodensteiner，2024年）。相反，本文简要概述了双星演化模型中包含的关键物理过程，特别关注了一些相对较少受到关注的方面。讨论主要集中在低质量和中等质量双星系统上，这些系统是本文所举许多示例的来源。

在介绍文章结构之前，有必要简要将这些物理过程置于观测背景中。罗什瓣溢流、风吸积、潮汐耦合和环双星盘扭矩在多种观测系统中都有体现。经典的Algol系统展示了稳定的供体-吸积体质量转移；钡星和共生双星展示了风驱动吸积的重要性；而潮汐相互作用在椭圆变星和紧密双星的光变曲线和旋转状态中留下了明显的印记。这些被广泛研究的观测类别为将理论公式与实际现象联系起来提供了自然的参照点。通过这种方式构建基础机制，本文提出的修订建议旨在在物理建模与相互作用双星表现出的多样化行为之间建立更清晰的概念桥梁。

本文的结构如下：第2节简要概述了双星的形成过程，第3节分析了它们的轨道特性。第4节深入探讨了双星相互作用的物理机制，首先对偏心和旋转不同步系统中的罗什瓣概念进行了重新评估（第4.1节）。随后，第4.3节回顾了通过罗什瓣溢流实现质量和角动量转移的当前模型。第4.4-4.5节讨论了风驱动的质量损失和吸积对轨道动力学的影响。第4.6节讨论了系统质量和角动量损失的机制，第4.8节介绍了潮汐相互作用的理论。第4.9节和第4.10节探讨了导致轨道偏心率增加的机制，无论是由质量转移还是与环双星盘的相互作用引起的。最后，第4节总结了这些见解，并讨论了未来的研究方向。

章节摘录

双星形成的简史

鉴于双星的影响深远，了解它们的形成机制是恒星天体物理学中的一个核心问题。双星形成理论必须解释从紧密相互作用的双星到分离的双星这一广泛存在的多样性，并将其与恒星形成区域的物理条件相协调。尽管过去几十年来关于双星形成的理论没有太大进展，但由于计算能力的提升，我们在这方面取得了一些进展。

双星的轨道特性

得益于仪器灵敏度的提高和大规模调查数据的增加，我们对双星种群的理解日益详细（有关综述，请参见Duchêne和Kraus，2013年；Moe和Di Stefano，2017年）。观测表明，双星的比例随恒星质量的增加而增加，在恒星团中通常比在散布星群中更高，因为在恒星团中频繁的动态相互作用可能会破坏双星系统或完全抑制其形成。

双星演化的输入物理过程

随着恒星的演化，其内部结构的变化会显著影响双星系统的轨道动力学，常常导致恒星组分之间的质量和角动量转移。双星演化模型试图捕捉这些恒星变化如何改变半长轴、偏心率和自转等关键轨道参数。本节将更新对控制双星相互作用的基本物理过程的概述。

讨论

双星系统的演化依赖于多种过程之间的复杂相互作用，这些过程控制着质量和角动量在恒星组分之间以及与外部双星环境之间的交换。尽管已经取得了一些进展，但在我们的1D双星演化模型中仍存在相当大的不确定性。我们将简要指出一些需要进一步理解的领域。

我们传统上依赖于基于1D近似的罗什瓣溢流模型，这种模型未能完全捕捉到...

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Lionel Siess表示获得了科学研究的资金支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。