[論文レビュー] Expected disk wind properties evolution along an X-ray Binary outburst

Pierre-Olivier Petrucci, S. Bianchi+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 69被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、X線連星におけるホットディスクウインドの熱的安定性を、GX 339-4の2010–2011年活動期間中のRXTEデータを用いてモデル化した。Fe XXVおよびFe XXVIイオンのウインドシグナルは、ウインドが熱的に安定な場合にのみ検出可能であり、これはソフト状態では観測可能だが、ハード状態ではX線スペクトルエネルギー分布（SED）に起因する急速な不安定化のため検出不可である。結果から、スペクトル遷移中にウインド密度が変化している可能性が示唆され、これは主にX線放射加熱によってディスク表面で発生する日単位のスケールでの変化であると推測される。

ABSTRACT

Blueshifted X-ray absorption lines (preferentially from Fe XXV and Fe XXVI present in the 6-8 keV range) indicating the presence of massive hot disk winds in Black Hole (BH) X-ray binaries (XrB) are most generally observed during the soft states. It has been recently suggested that the non-detection of such hot wind signatures in the hard states could be due to the thermal instability of the wind in the ionisation domain consistent with Fe XXV and Fe XXVI. Studying the wind thermal stability requires however a very good knowledge of the spectral shape of the ionizing Spectral Energy Distribution (SED). We discuss in this paper the expected evolution of the disk wind properties during an entire outburst by using the RXTE observations of GX 339-4 during its 2010-2011 outburst. While GX 339-4 never showed signatures of a hot wind in the X-rays, the dataset used is optimal to illustrate our purposes. We compute the corresponding stability curves of the wind using the SED obtained with the Jet-Emitting Disk model. We show that the disk wind can transit from stable to unstable states for Fe XXV and Fe XXVI ions on a day time scale. While the absence of wind absorption features in hard states could be explained by this instability, their presence in soft states seems to require changes of the wind properties (e.g. density) during the spectral transitions between hard and soft states. We propose that these changes could be partly due to the variation of heating power release at the accretion disk surface through irradiation by the central X-ray source. The evolution of the disk wind properties discussed in this paper could be confirmed through the daily monitoring of the spectral transition of a high-inclination BH XrB.

研究の動機と目的

• X線連星のソフト状態では観測されるがハード状態では観測されないFe XXVおよびFe XXVI吸収ラインを示すホットディスクウインドの理由を理解すること。
• 特にFe XXVおよびFe XXVIのイオン化領域において、熱的不安定性がハード状態でのウインドシグナルを抑制する役割を果たすメカニズムを調査すること。
• スペクトル状態遷移中にウインド密度に変化が生じる可能性が、ウインドシグナルのオン・オフ挙動を説明できるかを検討すること。
• 状態遷移中に中心源からのX線放射加熱がディスクウインドの加熱および安定性に与える影響を評価すること。
• X線のイオン化スペクトルエネルギー分布（SED）の変化に伴い、ウインドの性質が日単位のスケールで急速に変化するという仮説を検証すること。

提案手法

• GX 339-4の2010–2011年活動期間中のRXTE/PCA観測を用い、活動期間全体にわたる274個のバンド幅SEDを再構築した。
• ディスクおよびジェット成分を考慮した、ジェット放出ディスクモデルを用いて、ディスク表面におけるイオン化SEDを導出した。
• CLOUDYコードを用いて、イオン化パラメータおよび密度空間におけるウインドプラズマの熱的安定性曲線を計算した。
• ハード状態からソフト状態、およびソフト状態からハード状態への状態遷移に伴う安定性曲線の変化を追跡し、熱的安定または不安定な領域を特定した。
• SEDの硬化と、Fe XXVおよびFe XXVIイオンが存在できない不安定な状態に移行するウインドプラズマの移動との相関関係を分析した。
• X線放射加熱がディスク表面を加熱し、1日未満のスケールでウインド密度の急激な変化を引き起こす可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜFe XXVおよびFe XXVI吸収ライン（ホットディスクウインドを示すもの）はX線連星のソフト状態では観測されるが、ハード状態では観測されないのか？
• RQ2 X線連星の活動期間中のスペクトル状態遷移に伴い、ウインドプラズマの熱的安定性はどのように変化するのか？
• RQ3 状態遷移中にウインド密度が急激に変化する物理的メカニズムは何か？その変化がウインドシグナルのオン・オフ挙動を説明するのに十分な規模であるか？
• RQ4 ハード状態におけるウインドシグナルの欠如は、Fe XXVおよびFe XXVIのイオン化領域における熱的不安定性に起因するものと説明できるか？
• RQ5 中心源からのX線放射が、1日未満のスケールでウインドの性質にどの程度影響を及ぼすのか？

主な発見

• GX 339-4のすべてのハード状態観測では、Fe XXVおよびFe XXVIのイオン化領域で熱的不安定性が特徴づけられ、これがウインドシグナルの検出不可を説明する。
• これに対して、すべてのソフト状態観測では、同じイオン化領域で熱的安定性が確認され、Fe XXVおよびFe XXVI吸収ラインの存在および検出可能性が可能である。
• ハード状態からソフト状態への遷移に伴い、イオン化SEDの変化に起因して、安定状態と不安定状態の間の遷移が日単位のスケールで発生する。
• ハード状態では観測されないのに対し、ソフト状態ではホットウインドが観測されることから、ハード状態からソフト状態への遷移に伴いウインド密度が急激に増加していると推測され、これは主にディスク表面でのX線放射加熱の増強に起因する可能性がある。
• ソフト状態からハード状態への遷移では、X線スペクトルの硬化がウインドを不安定な熱的状態に追いやり、その結果、Fe XXVおよびFe XXVIイオンが存在できなくなる。これは、ハード状態での非検出を説明する。
• 結果から、ディスクウインドは連続的に放出されているが、熱的に安定な状態にある場合にのみ観測可能であることが示唆され、SED駆動の安定性シフトが検出可能性の主要なモジュレーターであると支持される。