[論文レビュー] A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: VI. Properties of X-ray bright massive cluster members

J. S. Clark, B. W. Ritchie+1 more|Open Research Online (The Open University)|Feb 14, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 59被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、複数エポックのVLT/FLAMES光学分光法およびX線データを用いて、若年星団Westerlund 1内の巨大星からのX線放射を調査している。X線放射は、O9-B0.5型超巨星、Wolf-Rayet星、および非常に高輝度の相互作用・後相互作用二重星に限定されており、22の源が風衝撃領域（WCZ）からの放射の証拠を示している。より前のO型巨星ではX線放射が認められないのは、二重安定性ジャンプより下の風速度が不十分なためであり、これは標準的な$L_{\rm X}/L_{\rm bol}$関係に疑問を呈する。

ABSTRACT

Despite the first detection of X-rays from massive stars occurring four decades ago, the physical dependence of the emission mechanism(s) on the underlying stellar and binary properties of the emitters remains uncertain. The young massive cluster Westerlund 1 provides an ideal testbed for understanding this phenomenon, with over 50 cluster members detected in historical X-ray observations. In the decade since these data were obtained, significant new multi-epoch observations of the cluster have been made, allowing a fundamental reappraisal of the nature of both X-ray bright and dark stars. A total of 45 X-ray sources within Wd1 now have precise spectral classifications. These observations identify 16 candidate and confirmed massive binaries; by comparison 22 stars have X-ray properties that imply a contribution from a wind collision zone. X-ray emission appears confined to O9-B0.5 supergiants, Wolf-Rayets and a small group of highly luminous interacting/post-interaction binaries. Despite their presence in large numbers, no emission is seen from earlier, less evolved O stars or later, cooler B super-/hypergiants. We suppose that the lack of X-ray emission from O giants is due to their comparatively low bolometric luminosities if, as expected, they follow the canonical L_X/L_bol relation for hot stars. The transition away from X-ray emission for OB supergiants occurs at the location of the bistability jump; we speculate that below this limit, stellar wind velocities are insufficient for internal, X-ray emitting shocks to form. Our results are consistent with recent findings that massive binaries are not uniformly brighter than single stars of comparable luminosity and spectral type, although it is noteworthy that the brightest and hardest stellar X-ray sources within Wd1 are all either confirmed or candidate massive, interacting/post-interaction binaries (Abridged).

研究の動機と目的

• 巨大星におけるX線放射の物理的メカニズム、特に二重性および風衝撃領域の役割を理解すること。
• Westerlund 1からの更新された複数エポックデータを用いて、巨大星における$L_{\rm X}/L_{\rm bol}$関係を再評価すること。
• X線が明るい巨大星団メンバーを特定・特徴づけること、特に風衝撃領域（WCZ）放射の可能性があるものについて。
• 同じ輝度またはスペクトル型の単一星と比較して、巨大二重星が系としてX線でより明るいかどうかを検証すること。
• 高エネルギー放射特性を分析することで、巨大二重星が宇宙線生成に果たす役割を評価すること。

提案手法

• VLT/FLAMESを用いた光学分光法により、Westerlund 1の45個のX線源の正確なスペクトル分類を取得した。
• 複数エポックの観測により、径速度変動および軌道解を含む二重星系の同定と特徴づけが可能になった。
• 過去のミッションからのX線データを、光学的同等物と照合することで、X線の等価放射度および硬さ比を特定した。
• スペクトル型と輝度から$\dot{M}/v_{\rm wind}$などの星風パラメータを推定し、それらがX線放射に与える影響を評価した。
• 風衝撃領域（WCZ）の形成および性質を解釈するために、流体力学的モデリングを検討した。
• スペクトル型とX線検出の統計的分析により、進化段階に応じたX線放射の傾向を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜO型巨星は質量が大きくてもX線を放射しないのに対し、後続のO-B型超巨星やWolf-Rayet星は放射するのか？
• RQ2 巨大二重星の風衝撃領域（WCZ）がX線放射を発生させるために必要な星風の物理的条件は何か？
• RQ3 B0-2型およびそれ以降のスペクトル型において$L_{\rm X}/L_{\rm bol}$関係がどのように破綻するのか、そして二重性が果たす役割は何か？
• RQ4 高輝度の相互作用二重星は、同等の輝度またはスペクトル型の単一星と比較して、系として一貫してX線で明るいか？
• RQ5 二重安定性ジャンプは、巨大星風におけるX線放射の発生の閾値を決定づける上でどのような意味を持つのか？

主な発見

• Westerlund 1の45個のX線源のうち、16個は確認済みまたは候補の巨大二重星であり、X線放射はO9-B0.5型超巨星、Wolf-Rayet星、および非常に高輝度の相互作用・後相互作用二重星に限定されている。
• O型巨星や冷却したB型超巨星・ハイパーギアントよりも多くの星が存在するにもかかわらず、X線放射は検出されないため、星風の性質に物理的閾値があると考えられる。
• X線放射の途絶は、風速度が内部衝撃を形成するのに必要な閾値を下回るようになる二重安定性ジャンプの位置で発生している。
• 22個の星が風衝撃領域（WCZ）からの放射と整合するX線特性を示しており、そのうち8個のO型星は$>-0.5$の硬さ色を示し、$>1\sigma$の有意性を満たしている。また、複数の後相互作用二重星も含まれる。
• Wd1で最も明るく硬いX線源は、すべて巨大で相互作用している、または相互作用済みの二重星であり、このような系が硬X線放射を支配していることが示唆される。
• Wd1-6a、-36、-53aのような密な二重星系では、X線放射が認められないのは、軌道半径が小さく質量比が高いため、風の加速が不十分で、効果的なWCZ形成ができないためであるとされる。