The astrophysics of ultra-compact binaries
G. Nelemans, M. Wood, P. Groot, S. Anderson, K. Belczynski, M. Benacquista, P. Charles, A. Cumming, C. Deloye, P. Jonker, V. Kalogera, C. Knigge, T. Marsh, P. Motl, R. Napiwotzki, K. O'Brien, E. S. Phinney, G. Ramsay, T. Shahbaz, J. -E. Solheim, D. Steeghs, M. van der Sluys, F. Verbunt, B. Warner, K. Werner, K. Wu, L. R. Yungelson
本白皮书简要介绍了超紧凑双星的天体物理学，重点是未来十年的挑战和机遇。
This white paper briefly describes the astrophysics of ultra-compact binaries, with emphasis of the challenges and opportunities in the next decade.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
Stellar Astrophysics with a Dispersed Fourier Transform Spectrograph. II. Orbits of Double-lined Spectroscopic Binaries
我们目前的轨道参数为6个双线分光双星（飞马座iota，天龙座omega，牧夫座12，天鹅座V1143，御夫座β和开阳甲）和两个双线三星系统（飞马座kappa和处女座eta）。轨道拟合是基于用分散傅里叶变换光谱仪（dFTS）进行的高精度径向速度观测，dFTS是一种结合了干涉仪和分散元件的新仪器。对于某些已知倾角的双线双星，我们的RV数据的质量允许我们以小到0.2%的相对误差确定恒星成分的质量M_1和M_2。
Ultra-compact binaries: relevance and role of Utrecht
我们提出了一个简短的概述超紧凑双星的形成和演化。它们与数量惊人的天体物理现象（双星相互作用、质量传递稳定性、爆炸现象，如Ia型超新星和引力波）有关。
Recovering Injected Astrophysics from the LISA Galactic Double White Dwarf Binaries
本研究通过模拟双白矮星双星群体，利用贝叶斯分层推断恢复公共包层抛射效率，证明该方法可有效约束未来LISA观测中的双星形成过程。
Astrophysical Parameter Inference on Accreting White Dwarf Binaries using Gravitational Waves
本文用MESA模型与Fisher分析评估LISA对吸积白矮星双星参数的测量精度，表明结合电磁光度距离可约束各自质量和供体星半径。
Ultra-compact X-ray binaries with high luminosity: a key for a new scenario
超致密X射线双星（UCXB）是周期小于1小时的吸积系统，这使得它们有资格包含一个简并的施主伴星。与其他类型的X射线双星相比，人们会认为这样的系统有最简单的理论解释。尽管如此，目前的理论无法解释高传质（MT）率在最近观察到的长周期UCXB。我们发现，这个范围内的MT率可以保持，如果捐助者是一个巨大的，这是在最近一集的一个共同的信封（CE）事件揭示了一个热平衡裸露的核心的残余。
Evolving ONe WD+He WD systems to ultra-compact X-ray binaries
大质量白矮星的吸积诱导坍缩（AIC）是形成中子星（NS）双星必不可少的途径。虽然AIC事件的存在还没有直接的证据，但有几种NS系统被认为起源于AIC过程。代表性证据之一是在近轨道上探测到了具有超轻伴星（<=0.1 Msun）的强磁场和慢自旋NS。然而，以前的研究不能解释AIC事件的形成与这种低质量的同伴。在本工作中，我们演化出一系列ONe WD+He WD系统，形成AIC事件（称为He WD施主通道），当He WD重新填充Roche瓣时，NS双星表现为超紧凑X射线双星。我们发现ONe WD+He WD系统是AIC事件后新形成的NS+超轻伴星系统的可能通道。虽然有一些其他不一致的性质，检测到的伴星质量和轨道周期的4U 1626-67（一个新形成的NS双星与超轻的同伴）可以复制的HeWD供体通道。此外，结合以往的星震学结果，我们推测UCXB源（XTE J1751-305）可能来自He WD施主通道。
Astrophysics of stellar black holes
2015年9月14日，LIGO干涉仪从两个合并的黑洞（BH）中捕获了引力波（GW）信号，开启了GW天体物理学的时代。到目前为止，已经报告了五个黑洞合并，其中三个涉及大质量黑洞（$\gtrsim{}30$ M $_\odot$）。根据恒星演化模型，这种大质量黑洞可能起源于大质量、相对贫金属的恒星。合并BH双星的形成通道仍然是一个悬而未决的问题：大量的不确定性影响了大质量恒星双星的演化（如共同包层过程）和动力学。这篇评论的目的是讨论有关BH双星的开放性问题，并提出了国家的最先进的知识的天体物理学的BH的非专业人士，在光的第一个LIGO-Virgo检测。
Stellar Astrophysics with a Dispersed Fourier Transform Spectrograph. I. Instrument Description and Orbits of Single-lined Spectroscopic Binaries
我们已经设计并建造了第二代色散傅里叶变换光谱仪（dFTS）。该仪器将光谱干涉仪与色散摄谱仪相结合，提供恒星目标的高精度、高分辨率光谱。新版本dFTS2基于我们的原型设计，并进行了一些修改以提高系统吞吐量和性能。2007年6月至2008年6月，我们将dFTS2部署到Steward天文台的2.3米博克望远镜，并进行了一项光谱双星观测计划，目标是将双星轨道的速度振幅K限制在0.1%的精度，这比文献中报道的大多数轨道都有显着改善。我们目前的径向速度参考星和单线光谱双星轨道解决方案的结果。
White Dwarf Binaries: Probes of Future Astrophysics
白矮星双星作为未来天文学研究的关键工具，通过相位解析光谱学观测推动恒星演化和宇宙学研究。
Ultra wide black-hole - neutron star binaries as a possible source for gravitational waves and short gamma ray bursts
LIGO/Virgo/KARGA合作的第三次观测报告了几个中子星-黑洞（NSBH）合并事件。虽然NSBH合并还没有得到广泛的理论关注，但它们可能具有以短伽马射线暴形式存在的有希望的电磁特征。在这里，我们表明，NSBH动力学合并可以自然地形成从超宽双星领域。在这些超宽系统中，与星系中其他邻居的飞越引力相互作用可能导致高偏心率，从而驱动双星合并。结果表明，对于椭圆星系（旋涡星系），这一过程可以导致$\sim 10$ ~Gpc $^{-3}$ ~yr $^{-1}$（$\sim 5$ ~Gpc $^{-3}$ ~yr $^{-1}$）量级的合并速率.这条通道预示了主星系的速度色散越大合并率越高，延迟时间分布比均匀分布浅，但比$1/t$陡，BH/NS质量比越小合并率越高。
Formation of millisecond pulsars with helium white dwarfs, ultra-compact X-ray binaries and gravitational wave sources
近轨道低质量X射线双星（LMXB）、射电毫秒双星（BMSP）和超致密X射线双星（UCXB）都属于同一演化序列。因此，了解这些种群如何从一个物种进化到另一个物种是极其重要的。此外，UCXB是重要的引力波（GW）源，可以被未来的星载GW观测站探测到。然而，这三个不同族群的中子星（NS）双星之间的形成和演化联系还没有完全了解。特别是，一个特殊的微调问题，以前已经证明了这些系统的形成。在这项调查中，我们测试了一个新提出的磁制动处方和模型的形成和演变的LMXB。我们计算一个网格的二进制演化模型，并提出了初始参数空间的祖二进制成功地发展所有的方式产生UCXB。我们发现LMXB演化为分离的NS+ELM~He~WD双星和后来的UCXB的初始轨道周期范围比标准磁制动方案下的演化明显变宽，从而有助于缓解微调问题。然而，我们也发现，形成宽轨道BMSP是禁止强版本的这种新的磁制动处方，因此需要修改的处方。最后，我们给出了UCXB作为银河系GW源的性质的例子，并讨论了它们的检测LISA，天琴和太极天文台。
Ultra-compact X-ray binaries in the Galactic Bulge
我们模拟了银河系膨胀区超致密X射线双星（UCXB）的数量和特征。主要目的是将结果与即将从银河系膨胀巡天（GBS）获得的数据进行比较，以了解形成情景，特别是核心坍缩超新星速率，共同包层演变和动力学相互作用，以及二元初始质量函数。我们使用二进制人口合成代码和详细的恒星演化轨迹，结合观测的11个已知的UCXB。我们预测有几百个微弱的UCXB，周期为20-40分钟，可以被GBS探测到。
Detectability of ultra-compact X-ray binaries as LISA sources
超紧凑X射线双星（UCXB）是一类轨道周期小于1小时的低质量X射线双星，它们是可能的低轨道低质量恒星。在这项工作中，我们首先采用MESA代码来检查LISA将检测的UCXB的祖先的参数空间。我们的模拟结果表明，初始双星与中子星和$0.4-3.3~M_{\odot}$伴星在一个初始轨道周期小于分叉周期的轨道可以演变成UCXB，其中一些将发射引力波信号，可以检测到的LISA。然而，在10 kpc的距离内演化成UCXB-LISA源的双星的初始轨道周期位于非常窄的范围内，即这些LISA源的形成需要非常精细的初始参数调整。根据特征染色和推导出的最大可探测距离，在8个UCXB中的4个源的观测距离预计将被检测到的LISA。根据详细的双星演化模型和快速双星演化程序给出的参数空间，估计了银河系中作为LISA源出现的UCXB的诞生率为$(2-2.6)\times10^{\rm -6}~\rm yr^{-1}$ .考虑到球状星团中UCXB的贡献，UCXB-LISA源的数量可以达到$240 - 320$。虽然UCXB的形成条件是严峻的，但LISA对UCXB的探测能力仍然是乐观和重要的，因为它们提供了一个进行全面多信使研究的机会。
A possible link among pulsar timing noise intermittency and hidden ultra-compact binaries
自1980年以来，人们对脉冲星定时噪声中1-10年的准周期特征一直没有很好的理解。最近发现的脉冲波形的变化与定时噪声之间的相关性促使我们进一步研究其起源。我们认为，准周期性特征的定时噪声，快速振荡躺在较低的频率结构，来自一个看不见的双星系统的大地岁差，它诱导的脉冲星自旋轴的附加运动。观测者视线与发射光束相交的方位角和纬度的变化分别导致定时噪声和脉冲轮廓的变化。首次对时间噪声和脉冲轮廓变化进行了数值模拟，得到了这些双星的轨道周期为1-35分钟。考虑到轨道周期为5.4分钟的超紧凑双白矮星HM Cancri的存在，脉冲星双矮星的这种轨道周期并不奇怪。脉冲星磁矩的纬度变化超出了脉冲星的辐射范围，导致了双折射现象，解释了PSR B1931+24的行为。因此，它不仅提供了某些"奇异”双星表现出的准周期性特征（如定时噪声、脉冲轮廓变化和不稳定性）的机制，而且为寻找超紧凑双星，可能是脉冲星-黑洞双星系统提供了一种新的途径。
Observational evidence of black hole event horizon from ultra-compact X-ray binaries
本研究通过分析5颗轨道周期短于40分钟的极密X射线双星，发现黑洞的X射线辐射效率比中子星低2至3个数量级，间接证实了黑洞事件视界的存在。
A Catalogue of Ultracompact Mass-Transferring White Dwarf Binaries
本文列出所有轨道周期短于70分钟的质量转移白矮星双星，包括123个确认双星和29个候选体，并总结其观测特性，为研究者提供可追踪现状的公共目录资源。
Search for Nearby Ultracool Compact Binaries in Gaia DR2
盖亚第二次数据发布（DR 2）中包含的信息允许搜索具有预先选择的属性的不寻常物体，字面上构建具有所需特征的恒星。本文介绍了该方法的思想、实现过程以及在200秒差距内搜索超冷紧双星的结果。在选定的绝对星等范围内（M=11. 13)已经发现了预期和意外的物体。我们发现了两个激变变量的极端红外线与紫外线的颜色指数在126和103秒差距，两个日食前激变系统的周期差距和一个候选年轻的恒星对象。我们分析了新的变星使用天气调查的数据，并比较其性质的已知恒星的这些类型。同时也讨论了致密双星在银河系人口密度中的应用。
Ultra-compact X-ray binaries with He star companions
超致密X射线双星（UCXB）是一类低质量的X射线双星，具有缺氢的质量施主和超短的轨道周期。它们被认为是低频激光干涉空间天线（LISA）的潜在光源。到目前为止，已经提出了几种用于形成UCXB的渠道。本文对氦星施主通道进行了系统的研究，其中中子星（NS）通过Roche瓣溢出吸积来自氦主序星的物质，质量转移是由引力波辐射驱动的。首先，利用恒星天体物理学实验模块（Modules for Experiments in Stellar Astrophysics）的恒星演化程序，跟踪了NS + He主序星双星的长期演化，得到了UCXB产生的初始参数空间。然后，我们使用这些结果来执行一个详细的二进制人口合成方法，以获得银河系的UCXB率通过这个通道。通过该通道，我们估计了银河系中UCXB-LISA源的出现率为$\sim3.1-11.9\, \rm Myr^{-1}$，银河系中UCXB-LISA源的数量可达观测标定的$1-26$左右。目前的工作表明，氦星施主通道可能有助于显着银河系UCXB的形成率。我们发现，UCXB通过该通道的演化轨迹可以很好地解释五个相对较长轨道周期的瞬态源的位置。我们还发现，这种UCXB可以通过它们在质量转移速率与轨道周期图中的位置来识别。
Wide post-common envelope binaries containing ultramassive white dwarfs: evidence for efficient envelope ejection in massive AGB stars
通过观测五个宽轨道周期（18-49天）的含超质量白矮星双星，证明高效包层复合能量抛射可解释宽后共有包层双星的形成，并可能解释自引力透镜双星、后AGB双星及钡星起源。
Black Hole Ultra-compact X-ray Binaries: Galactic Low-Frequency Gravitational Wave Sources
在银河系中，具有致密天体的密近双星是重要的低频引力波源。中子星/白矮星超致密X射线双星作为一种潜在的低频GW源已被广泛研究。利用MESA程序，我们系统地研究了黑洞-主序星双星系统的演化过程，以诊断它们的后代能否被星载GW探测器探测到。我们的模拟表明，BH-MS双星的初始轨道周期小于分叉周期可以演变成BH UCXB，可以检测到的LISA。这样的演化通道将形成紧凑的传质BH-WD系统，而不是分离的BH-WD系统。LISA在距离$d=1$ kpc处探测到的BH UCXB的计算X射线光度为$\sim10^{33}-10^{35}~\rm erg\,s^{-1}$（$\sim10^{34}-10^{35}~\rm erg\,s^{-1}$为$d=10$ kpc），因此有可能探测到它们的电磁对应物。值得强调的是，只有一些初始轨道周期非常接近分叉周期的BH-MS系统可以向低频GW源发展，其啁啾质量可以测量。通过BH-MS途径形成的BH UCXB的最大GW频率约为3 mHz，这小于源自动力学过程的质量传递BH-WD的最小GW频率（6.4mHz）。此外，我们还得到了BH UCXB-GW源的初始参数空间（施主星质量和轨道周期），这可以应用于未来的人口合成模拟。通过粗略的估计，我们预测LISA只能探测到由BH-MS通道形成的少量BH UCXB GW源。
Ultra-short Period Binaries from the Catalina Surveys
我们研究了从最近从卡特琳娜巡天数据中确定的31，000个来源中选出的367个超短周期二进制候选者的属性。基于光变曲线形态，随着WISE，SDSS和GALEX多色测光，我们确定了两个不同的二进制的周期低于0.22天的接触二进制最小值。与最近的工作相比，我们在光谱上证实了M-矮星+M-矮星接触双星系统的存在。通过测量五个最短周期系统的径向速度变化，我们发现了罕见的冷-白矮星+M-矮星双星的例子。目前只有少数这样的系统是已知的。与温暖的白矮星系统不同，它们的紫外线通量、光学颜色和光谱都由M矮星伴星控制。我们对比我们的发现与以前的光度选择的超短周期接触二进制候选人，并强调使用光谱和相关的径向速度测量确认的持续需求。总的来说，我们的分析增加了超短周期接触二进制候选者的数量超过一个数量级。
Four ultra-short period eclipsing M-dwarf binaries in the WFCAM Transit Survey
我们报告了在WFCAM凌日巡天中发现的四颗超短周期（P<0.18天）食M矮星双星。它们的轨道周期比任何已知的主序星双星系统都要短，并且都明显低于早期双星系统的P~0.22天的周期截止值。最短周期的双星由两颗M4型恒星组成，轨道为P=0.112天。这些双星是在超过260，000颗恒星光变曲线中广泛寻找短周期食系统的一部分，其中包括超过10，000颗J=18等的M矮星，产生了25颗P<0.23天的双星。在一个流行的范例中，冷主序星的短周期双星的演化是由磁化风造成的角动量损失驱动的。在这个方案中，观察到的P~0.22天周期截止被解释为是由于时间尺度太长，使得较低质量的双星无法衰变到更紧的轨道。我们发现的低质量双星的轨道明显较短，这意味着这些时间尺度被高估的M-矮星，例如由于更高的有效磁活动，或形成这些紧M-矮星双星的机制是不同的，从早期类型的主序星。
Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA): Binaries, Pulsations, and Explosions
我们大幅更新了开源软件仪器恒星天体物理学实验模块（MESA）的功能。MESA现在可以同时演化一对相互作用的差分旋转恒星，它们正在经历质量和角动量的转移和损失，大大增强了先前模拟双星演化的能力。新的MESA能力，在完全耦合计算的核网络与数百个同位素，现在允许MESA准确地模拟先进的燃烧阶段所需的建设超新星祖先模型。隐式流体动力学与冲击，现在可以处理与MESA，使建模的整个大质量恒星的生命周期，从主序前的演变开始的核心崩溃和核合成从由此产生的爆炸。将GYRE非绝热脉动仪器与MESA相结合，可以对大质量恒星的不稳定带进行新的探索，同时也加快了星震学数据在天体物理学上的应用。我们改进了质量吸积的处理，提供更准确和强大的近表面轮廓。一种新的MESA能力，计算弱反应速率“在飞”从输入核数据允许更好地模拟吸积引起的大质量白矮星的崩溃和一些大质量恒星的命运。我们讨论了在强耦合等离子体制度的化学扩散的持续挑战，并表现出改进MESA，现在允许模拟热恒星中的重元素的辐射悬浮。最后，我们指出，MESA软件基础设施为所有支持平台上的所有结果提供了位对位的一致性，这是加速MESA开发的一种重要的使能能力。
Four new eclipsing accreting ultracompact white dwarf binaries found with the Zwicky Transient Facility
本研究利用兹威基瞬变设施的4171颗矮新星数据，通过盒最小二乘法搜寻周期信号，发现四颗轨道周期25.9-56分钟的新食吸积超紧凑白矮星双星，补充了该类天体的样本。
Photometric light curve solutions of three ultra-short period eclipsing binaries
利用新的CCD $B$、$V$、$R_c$和$I_c$全光变曲线对食双星CSS J112237.1+395219、LINEAR 1286561和LINEAR 2602707进行了研究。证实了恒星\citep{Drake2014}的超短周期性质，并对系统的周期进行了修正。使用2005年版本的Wilson-Devinney代码对光变曲线进行建模。必要时，在主要部件的表面上引入冷点以解释光变曲线中的不对称性。通过$500K$研究发现，CSS J112237.1+395219是一个W UMa型接触双星系统，属于W亚类，其质量比为$q=1.61$，浅接触度为14.8%，主成分比次成分热。LINEAR 1286561和LINEAR 2602707是分离的二元系统，质量比分别为$q=3.467$和$q=0.987$。这些分离系统是低质量的M型食双星，温度相似。CSS J112237.1+395219的边缘接触，填充因子和组件之间的温差表明，该系统可能处于热弛豫振荡理论（TRO）预测的关键演化状态。从估计的绝对参数，我们得出结论，我们的系统与其他超短周期双星有共同的属性。
Effects of Irradiation on the Evolution of Ultra-compact X-ray Binaries
利用恒星天体物理实验模块，研究了辐照对超紧凑X射线双星演化的影响。虽然持久UCXB具有短的轨道周期，导致高的辐照通量，辐照几乎不影响持久源的演化，因为在这些双星中的WD有很大的质量，导致非常低的辐照深度。在爆发阶段，辐照对瞬变源有显著的影响。在爆发初期，高的X射线亮度产生高的辐射通量，导致WD的显著膨胀。然后，辐射触发高质量传递速率，对于具有质量大于$\sim0.015 M_\odot$的WD的瞬态源，其可以持续几天，或者对于具有质量小于$\sim0.012 M_\odot$的WD的这些源，其可以持续几百年。观测到的三个持久性UCXB，XTE J 0929 -314，4U 1916-05和SWIFT J1756.9-2508，可能属于后者。
Ultra-short period contact binaries: restricting the parameters of the primary using Gaia parallax
通过选择轨道周期小于0.22天的W UMa型变星，研究了可能的M型接触双星。将Gaia测光与Gaia和2 MASS测光结合起来，获得了VSX数据库中674颗被编目为接触双星的红变星的G和J波段绝对星等。主序冷矮星的绝对星等随光谱类型而变化很大，这被用来创建一个选择的218个系统，其光谱类型可能是M0-M3。单独检查了具有最低近红外光度的46个系统的光变曲线，以在可能的情况下确认或拒绝W UMa分类。消光极限和振幅与计算出的绝对星等相结合，以确定主要成分质量的上限。这是通过考虑主星的光度不低于相同质量的主序星来实现的。对于26个可能的接触双星，主恒星的质量被限制在0.5太阳质量以下，有些系统的主恒星质量上限低至0.35太阳质量。这些罕见的系统是更详细观测的有趣目标，因为它们位于接触双星分布的低质量端，它们的形成和演化仍然不清楚。
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