[論文レビュー] Coupling hydrodynamics with comoving frame radiative transfer: II. Stellar wind stratification in the high-mass X-ray binary Vela X-1

A. A. C. Sander, Felix Fürst+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 63被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高質量X線連星Vela X-1のB超巨星片方星における、初めての流体力学的整合性を持つ非局所熱平衡(stellar atmosphere)モデルを提示する。放射線流体力学と共動フレームにおける放射線輸送を結合したモデルであり、中性子星位置における風速が非常に低く（約100 km s⁻¹）なっていることが明らかになった。これは標準的なβ則モデルが予測する値よりも顕著に低い。一方、中性子星からのX線照射は、外層風の加速を最大で10%まで増強するが、高照度条件下では加速が崩壊する。

ABSTRACT

CONTEXT: Vela X-1, a prototypical high mass X-ray binary (HMXB), hosts a neutron star (NS) in a close orbit around an early-B supergiant donor star. Accretion of the donor star's wind onto the NS powers its strong X-ray luminosity. To understand the physics of HMXBs, detailed knowledge about the donor star winds is required. AIMS: To gain a realistic picture of the donor star in Vela X-1, we constructed a hydrodynamically consistent atmosphere model describing the wind stratification while properly reproducing the observed donor spectrum. To investigate how X-ray illumination affects the stellar wind, we calculated additional models for different X-ray luminosity regimes. METHODS: We use the recently updated version of the PoWR code to consistently solve the hydrodynamic equation together with the statistical equations and the radiative transfer. RESULTS: The wind flow in Vela X-1 is driven by ions from various elements with Fe III and S III leading in the outer wind. The model-predicted mass-loss rate is in line with earlier empirical studies. The mass-loss rate is almost unaffected by the presence of the accreting NS in the wind. The terminal wind velocity is confirmed at $v_\infty \approx 600$ km/s. On the other hand, the wind velocity in the inner region where the NS is located is only $\approx 100$ km/s, which is not expected on the basis of a standard $β$-velocity law. In models with an enhanced level of X-rays, the velocity field in the outer wind can be altered. If the X-ray flux is too high, the acceleration breaks down because the ionization increases. CONCLUSIONS: Accounting for radiation hydrodynamics, our Vela X-1 donor atmosphere model reveals a low wind speed at the NS location, and it provides quantitative information on wind driving in this important HMXB.

研究の動機と目的

• Vela X-1のB超巨星片方星（HD 77581）に対して、観測スペクトルを再現可能な、流体力学的整合性を持つ非局所熱平衡(stellar atmosphere)モデルを構築すること。
• 降着する中性子星からのX線照射が、片方星の大気における風の構造、イオン化構造、および加速に与える影響を調査すること。
• 特に中性子星の軌道距離における風速プロファイルを特定し、標準的なβ則モデルの予測と比較すること。
• X線放射照射が外層風領域における質量放出率および風加速に与える影響を定量化すること。
• 現実的なX線および星間条件下で、初期B超巨星風における放射線駆動の主因となるイオン種を特定すること。

提案手法

• 更新されたPoWRコードを用いて、流体力学方程式、統計的平衡方程式、および共動フレームにおける放射線輸送を同時に解いた。
• Fe iii、S iii、Si iii、C iiiなどを含む10種類以上の元素に対して非局所熱平衡（non-LTE）処理を適用し、放射線駆動を正確にモデル化した。
• 簡略化されたが物理的に妥当なX線フラックスモデルを用いて、中性子星からのX線照射を組み込み、放射線照度を変化させることでその影響を調査した。
• 質量損失率の観測的推定値に一致させるために、深さ依存のマイクロクラッピング（D∞ = 11）を導入し、風の不均一性を考慮した。
• 1次元定常モデルを用いて球対称の風構造を解き、先行研究からの観測的パラメータに基づいた境界条件を設定した。
• 観測スペクトルエネルギー分布および終端風速との整合性を確認することで、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体力学的整合性と放射線輸送の連成が正しく取られた状況下で、Vela X-1の片方星における風速構造、特に中性子星の位置（d_ns ≈ 1.8 R*）での真の風速は何か？
• RQ2 降着する中性子星からのX線照射が、片方星の風におけるイオン化バランスと放射線駆動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 X線照射が、片方星風の質量放出率および終端風速にどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 初期B超巨星風において、Vela X-1の環境下で放射線駆動の主な駆動体となるイオン種は何か？
• RQ5 強いX線照射下で、風加速の崩壊は中性子星の軌道付近で発生するのか、それともより外側（r ≳ 3 R*）で発生するのか？

主な発見

• 中性子星の位置（d_ns ≈ 1.8 R*）における風速はわずか約100 km s⁻¹であり、これは標準的なβ則モデルの予測値よりも顕著に低い。
• 終端風速はv∞ ≈ 600 km s⁻¹と確認され、以前の観測的・理論的予測と整合的である。
• X線照射により、外層風の加速が非照射モデルと比較して約10%増加する。これはイオン化度の上昇と追加の放射線駆動によるものである。
• 非常に高いX線フラックス条件下では、風加速は外層風（r ≳ 3 R*）で崩壊するが、中性子星の直近付近ではなく、より外側で発生する。
• 主な放射線駆動体はFe iii（約15%の寄与）とS iii（外層風でFe iiiと同等の寄与）であり、Si iiiとC iiiはそれぞれ約10%ずつ寄与している。
• 質量放出率はX線照射に対して頑健であり、中性子星に向かって最大で0.1 dexの増加にとどまり、観測的推定値log ḊM ≈ -6.2と整合的である。