[論文レビュー] Exploration of the $\ps-\pb$ Relation for Wind-Fed X-Ray Pulsars

Hai‐Lang Dai, Xi-Wei Liu+1 more|ArXiv.org|Aug 29, 2006

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 37被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、高質量X線連星（HMXB）段階に至る前の質量連星における中性子星の回転速度の進化をモンテカルロ集団合成法を用いてモデル化し、風駆動降着とプロペラ効果が観測された $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相関を説明できることを示している。ほとんどの中性子星はパルサー段階における回転減速によって、$\sim10^2$--$10^3$ s の回転周期に達すると判明しており、磁気双極子モーメントと回転軸の一致は長期間にわたる力学的過程によって生じる。

ABSTRACT

We have investigated the relation between the orbital periods ($\pb$) and the spin periods ($\ps$) of wind-fed X-ray pulsars in high-mass X-ray binaries (HMXBs), based on population synthesis calculations of the spin evolution of neutron stars during the pre-HMXB stage. We show that most of the neutron stars either have steady accretion or still reside in the radio pulsar phase when the donor star starts evolving off the main sequence. In the former case the values of $\ps$ can be decelerated to be $\sim 10^2-10^3$ s depending on $\pb$. We briefly discuss the possible origin of the $\ps-\pb$ correlation in Be/X-ray binaries, and the existence of HMXBs with main sequence donors. We have also investigated the evolution of the inclination angle between the magnetic and spin axes of neutron stars in a massive binary, suggesting secular alignment of the magnetic and spin axes during their evolution.

研究の動機と目的

• 風駆動X線パルサーにおける $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相関の起源を、進化集団合成法を用いて理解すること。
• 高質量X線連星における定常降着の開始に先立つ中性子星の回転周期の進化を調査すること。
• パルサー段階におけるプロペラ効果と回転減速が観測された $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 分布をどのように形作るかを検討すること。
• 主系列星を伴うHMXBの存在を評価し、HMXB進化に与える意味を検討すること。
• 時間経過に伴い質量連星における磁気双極子モーメントと回転軸の一致がどの程度進行するかを検討すること。

提案手法

• HMXB段階に至る前の質量連星系における中性子星の回転速度進化をモンテカルロ集団合成シミュレーションで実施する。
• Davies & Pringle (1981) の簡略化モデルを応用し、磁気双極子放射と粒子放出トルクを組み込む。
• パルサー段階における回転減速をプロペラ効果でモデル化し、トルク $I\dot{\Omega}_{\rm s} = -\frac{2}{3}\frac{\mu^2\Omega_{\rm s}^3}{c^3}$ を用いる。
• 20 $M_\odot$ 主系列星からの質量損失率を経験的関係式（式9）を用いて取り入れ、風速度 $v_\infty = 10^8 v_8$ cm s$^{-1}$ を設定する。
• 磁気圏半径と流れ圧力のバランスを用いて平衡回転周期 $P_{\rm eq}$ を評価し、$P_{\rm eq} \propto \dot{M}^{-3/7}$ と表す。
• 降着段階における角運動量移動を仮定し、磁気双極子モーメントと回転軸の一致を長期間的進化として評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風駆動X線パルサーにおける観測された $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相関の原因は何か？
• RQ2 パルサー段階におけるプロペラ効果がHMXBにおける中性子星の最終的回転周期にどのように影響を与えるか？
• RQ3 HMXB段階に至る前の回転進化によって $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 関係は説明可能か？
• RQ4 HMXBの何パーセントが主系列星を伴っており、それらは超巨星HMXBと比べて明るさと回転周期でどの程度異なるか？
• RQ5 質量連星系において、時間経過に伴い磁気双極子モーメントと回転軸がどの程度一致するか？

主な発見

• 風駆動HMXBにおける中性子星は、主にパルサー段階におけるプロペラ効果によって、$P_{\rm s} \sim 10^2$--$10^3$ s に回転減速する。これは軌道周期に依存する。
• $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 相関は、供給星の主系列星段階における平衡回転周期に達することが一貫している。
• 特に回転減速トルクが効率的な場合、中性子星の大部分が供給星がまだ主系列星である段階で平衡回転周期 $P_{\rm eq}$ を達成できる。
• モデルは、銀河内に数百万個のHMXBが主系列星を伴って存在すると予測しており、X線放射度は $\sim 10^{33}$--$10^{35}$ erg s$^{-1}$ の範囲にある。
• 進化過程を通じて磁気双極子モーメントと回転軸の一致が長期間的に行われるため、大多数のHMXBではこれらの軸間の傾きが小さいと予想される。
• 2S 0114+650の極めて長い回転周期（$P_{\rm s} \sim 10^4$ s）は、プロペラ効果による効率的な回転減速を可能にするために、初期磁場 $B \gtrsim 10^{14}$ G が必要である可能性がある。