[論文レビュー] Conditions for accretion disc formation and observability of wind-accreting X-ray binaries

Ryosuke Hirai, Ilya Mandel|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 108被引用数 41

ひとこと要約

本稿は、近接連星における非等方的線駆動風のモデル化を通じて、風駆動型高質量X線連星における降着円盤形成の条件を調査している。二重星の潮汐力による速度低下が、寄与星がロッシュローブの80–90%以上を満たす場合に集中した降着ストリームを形成可能にし、円盤形成に必要な角運動量を供給することが示された。研究では、この閾値で観測可能性に急激な転換が生じることを予測している。

ABSTRACT

We explore the effect of anisotropic wind driving on the properties of accretion onto black holes in close binaries. We specifically focus on line-driven winds, which are common in high-mass X-ray binaries. In close binary systems, the tidal force from the companion star can modify the wind structure in two different ways. One is the reduction of wind terminal velocity due to the weaker effective surface gravity. The other is the reduction in mass flux due to gravity darkening. We incorporate these effects into the so-called CAK theory in a simple way and investigate the wind flow around the accretor on the orbital scale. We find that a focused accretion stream is naturally formed when the Roche lobe filling factor is $\gtrsim0.8$-0.9, analogous to that of wind Roche lobe overflow, but only when the velocity reduction is taken into account. The formation of a stream is necessary to bring in sufficient angular momentum to form an accretion disc around the black hole. Gravity darkening effects reduce the amount of accreted angular momentum, but not enough to prevent the formation of a disc. Based on these results, we expect there to be a discrete step in the observability of high-mass X-ray binaries depending on whether the donor Roche lobe filling factor is below or above $\sim$0.8-0.9.

研究の動機と目的

• 非等方的星風によって駆動される高質量X線連星（HMXBs）における降着円盤形成を可能にする物理的条件を理解すること。
• 近接連星における潮汐力が、有効重力と重力減光の観点から、線駆動風の風速度および質量流量に与える影響を調査すること。
• これらの修正が集中降着ストリームおよびその後の円盤形成を可能にするかどうかを特定すること。
• 観測可能なHMXBに円盤が存在するか否かを分ける臨界的ロッシュローブ満たし率の閾値を同定すること。
• 特に重力波源候補系の文脈において、ブラックホールHMXBの観測可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 近接連星における潮汐効果を組み込んだCAK理論の線駆動風を適応し、有効重力と重力減光を介して風加速および質量流量を修正する。
• 同伴星の潮汐場による風速度低下を、修正された力乗数法を用いて風構造に組み込む。
• フォン・ツェイペルの定理を用いて、特に赤道付近の表面重力が低い領域での質量流量を低減する重力減光を適用する。
• 簡略化された流体力学的モデルを用いて、さまざまなロッシュローブ満たし率における降着速度およびコンパクト天体への角運動量フラックスを計算する。
• 標準的なBondi-Hoyle-Lyttletonモデルと比較することで、非等方的風効果の影響を明確に分離する。
• 既知のBH-HMXB（例：サイリウスX-1）に典型的な軌道パラメータを用いて数値計算を行い、観測可能な閾値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風駆動型HMXBにおける集中降着ストリーム形成に必要なロッシュローブ満たし率の最小値は何か？
• RQ2 二重星の同伴星からの潮汐力が、線駆動風の風速度および質量流量構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 風速度低下と重力減光は、ブラックホールが降着する角運動量にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 非等方的風効果のみで、サイリウスX-1のような系における降着円盤の観測された存在を説明できるか？
• RQ5 円盤形成に起因して、ロッシュローブ満たし率に起因するHMXBの観測可能性に急激な転換が生じるか？

主な発見

• ロッシュローブ満たし率が約0.8–0.9を超えると、主に潮汐場による風速度低下が原因で自然に集中降着ストリームが形成される。
• このようなストリームの形成は、ブラックホール回りの降着円盤形成に必要な十分な角運動量を供給するために不可欠である。
• 重力減光は降着角運動量を減少させるが、満たし率が閾値を超える場合には円盤形成を阻止するには十分でない。
• 風速低下と重力減光の両方を含めた場合、降着された全質量は標準的なBondi-Hoyle-Lyttletonモデルと同程度に保たれる。
• ロッシュローブ満たし率が約0.8未塔の系では降着円盤を有する可能性が低く、HMXBの観測可能性に離散的かつ明確な転換が生じると示唆される。
• 本モデルは、観測可能な系では前向き降着（プログレード）を予測しているが、これは標準的な風駆動モデルで予想される後向き降着（レトログレード）とは対照的である。