[論文レビュー] A magnetic accretion disk-outflow model for state transition in X-ray binaries

Xinwu Cao, Bei You+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 72被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、X線連星における硬X線遷移輝度と軟X線ピーク輝度の緊密な相関を説明するため、磁気的降着円盤・噴流モデルを提案する。このモデルは、外側の円盤における逆キャスケードによる大規模磁場の生成に起因する磁気的噴流が、角運動量損失を増加させ、ADAF抑制の臨界降着率を上昇させることに起因する相関を説明する。中性子星XRBでは、ブラックホールXRBよりも高い粘性パラメータ（α ∼0.15–0.4）を必要とし、ブラックホールXRB（α ∼0.05–0.15）と比較して一致する。

ABSTRACT

The hard to soft state transition of the outbursts in X-ray binaries (XRBs) is triggered by the rising of the mass accretion rate due to the disk instability. In order to explain the observed correlation between the hard X-ray transition luminosity and the soft X-ray peak luminosity in the soft state, we construct a magnetic disk-outflow model for the state transition in XRBs. We assume that the large-scale magnetic field in the outer thin disk is formed through inverse cascade of small-scale dynamo generated field, and it is then advected by the inner advection dominated accretion flow (ADAF), which accelerates a fraction of the gas into the outflows. During the outbursts, the heating front moves inwards, and the field strength at the heating front of the outer disk is proportional to the accretion rate of the disk. Much angular momentum of the inner ADAF is carried away by the outflows for a stronger magnetic field, which leads to a high radial velocity of the ADAF. This makes the critical mass accretion rate of the ADAF increases with the field strength, and it therefore leads to a correlation between transition luminosity and the peak luminosity in the thermal state. We found that the values of the viscosity parameter $\alpha$ of the neutron star XRBs are systematically higher for those of the black hole (BH) XRBs ($\alpha\sim 0.05-0.15$ for BHs, and $\alpha\sim 0.15-0.4$ for neutron stars). Our model predicts the transition luminosity may be higher than the peak luminosity provided $\alpha$ is sufficiently high, which is able to explain a substantial fraction of outbursts in BHXRBs not reaching the thermally dominant accretion state.

研究の動機と目的

• X線連星の活動期間における硬X線遷移輝度と軟X線ピーク輝度の観測された緊密な相関を説明すること。
• 理論的予測と観測の間に生じる矛盾を解消すること。具体的には、状態遷移の臨界降着率が予想よりも大きく変動すること。
• 中性子星XRBとブラックホールXRBの間で観測される粘性パラメータ（α）の系統的差異を説明すること。
• なぜ一部のブラックホールXRBの活動期間が熱的優勢状態に達しないかを説明すること。

提案手法

• 外側の薄い円盤における小スケールダイナモ磁場の逆キャスケードによって大規模磁場が形成されると仮定する。
• 内側のADAFから角運動量を運ぶ磁気的噴流をモデル化し、その流れの半径方向速度を増加させる。
• ADAF抑制のための臨界質量降着率を、磁場強度と粘性パラメータαの関数として計算する。
• 遷移半径rtr ∼20–30における定常状態のADAFモデルを用い、磁気的駆動噴流を組み込む。
• 観測的制約とISCO近傍でのエネルギー放出に基づき、rtr ∼20–30を採用する。
• NSXRBおよびBHXRBのデータを用いて、モデル予測と観測されたλtr対λpeak相関を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜX線連星の活動期間において、硬X線遷移輝度と軟X線ピーク輝度が緊密に相関しているのか？
• RQ2 普遍的な臨界降着率を仮定せずに、観測された相関を説明できる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜ中性子星XRBではブラックホールXRBよりも高い粘性パラメータ（α）を必要とするのか？
• RQ4 このモデルは、熱的優勢状態に達しない活動期間をどのように説明できるか？
• RQ5 ADAF内での磁場の輸送が、ADAF抑制の臨界降着率をどのように変化させるか？

主な発見

• モデルは、外側円盤の降着率に応じて磁場強度が増加することに起因するλtr–λpeak相関を説明できる。
• 磁気的噴流はADAF抑制のための臨界質量降着率を増加させ、結果として遷移輝度を上昇させる。
• 中性子星XRBは、ブラックホールXRBよりも高いα値（α ∼0.15–0.4）を必要とし、観測と一致する。
• モデルは、αが十分に高い場合に遷移輝度がピーク輝度を上回る可能性を予測し、BHXRBにおける非熱的活動期間を説明できる。
• ADAF内での磁場輸送により、磁場が半径方向内方へ強化され、流れ全体にわたり臨界降着率が上昇する。
• モデルは観測された活動期間のスケールと整合する。α⁻¹が降着時間スケールを決定し、BHXRBの長い上昇・減衰時間と一致する。