[論文レビュー] Flows and Shocks: Some Recent Developments in Symbiotic Star and Nova Research

J. L. Sokoloski, Stephen S. Lawrence+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、連星星および新星における最近の多波長観測の進展をレビューし、核融合反応を行わない連星星—すなわち、単に降着によって駆動される連星星—が、弱い可視光的特徴があるにもかかわらず、X線および紫外線放射によって検出可能であることを強調している。衝突する風と多成分の噴出物が高エネルギー放射を駆動しており、新星ではフェルミが検出したGeV帯ガンマ線が観測されており、これは赤道環と双極性ラボスを有する複雑な噴出物構造を明らかにしている。

ABSTRACT

There have been several surprising developments in our understanding of symbiotic binary stars and nova eruptions over the last decade or so based on multiwavelength data. For example, symbiotic stars without shell burning on their white dwarfs have been revealed through their X-ray emission, UV excess, and UV variability. These purely accretion powered symbiotic stars have much weaker optical emission lines than those with shell burning, and are therefore harder to discover. Yet they may be as numerous as symbiotic stars with shell burning. Interestingly, both types of symbiotic stars are capable of driving strong outflows, leading to colliding wind X-ray emission and spatially resolved jets. For nova eruptions, the most surprising discovery has been that they are capable of particle acceleration as evidenced by Fermi detection of novae as transient GeV gamma-ray sources. For nova eruptions in cataclysmic variables, this implicates internal shocks, between a slow, dense outflow and a fast outflow or wind. Other signatures of shocks include thermal X-rays and non-thermal radio emissions, and a substantial fraction of optical emission may be shock-powered in the early phase of novae. Radio (V959 Mon) and HST (V959 Mon and T Pyx) images of nova shells within a few years of their respective eruptions suggest that the ejecta from a nova may commonly consist of an equatorial ring and a bipolar outflow.

研究の動機と目的

• 核融合反応を伴うか否かにかかわらず、白色矮星の周囲に準安定な燃焼シェルがある連星星とない連星星との間の観測的および物理的差異、特にX線、紫外線、可視光的性質の違いを理解すること。
• ショック波が新星の噴出物の形態をどのように形成し、高エネルギー放射（ガンマ線および非熱的電波放射）を駆動するかを調査すること。
• 粒子加速およびダスト形成の文脈において、多波長画像およびスペクトルデータを用いて新星噴出物の構造を特定すること。
• 弱い発光線および電波出力のため、光学的検出が困難であるにもかかわらず、非光学的サーベイを用いて核融合反応を行わない連星星を同定すること。
• ショック駆動粒子加速の結果が、準爆発的変光星およびIa型超新星の前身星のエネルギー収支および進化に与える意味を明らかにすること。

提案手法

• X線（例：チャンドラ、XMM-ニュートン）、紫外線（ハッブル宇宙望遠鏡、GALEX）、電波（VLA、ALMA）、ガンマ線（フェルミ-LAT）望遠鏡からの多波長観測を用いて、連星星および新星の爆発を分析した。
• 白色矮星における降着およびシェル燃焼の理論的モデルを適用し、核融合反応を伴う連星星と伴わない連星星の間の放射度および温度差を解釈した。
• 流体力学的シミュレーションおよびショックモデルを用いて、ゆっくりとした密度の高いコアと高速な噴出物との間の衝突流に基づく、新星噴出物における赤道環および双極性ラボスの形成を説明した。
• 光曲線およびスペクトル特徴（例：THEA線）を分析し、特に最大光度に達する直前の段階におけるブルーシフトした吸収を示すショック加熱成分を同定した。
• 多成分噴出物内の内部ショックによる粒子加速機構を評価し、ガンマ線放射がハドロン的またはレプトン的過程と関連していることを結びつけた。
• ハッブル宇宙望遠鏡と電波画像を用いて、V959 MonおよびT Pyxの観測を行い、高速で双極的であるが、ゆっくりとした密度の高いコアと相互作用している可能性を推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色矮星に準安定なシェル燃焼があるか否かにかかわらず、連星星のX線、紫外線、可視光的性質はどのように異なるか？
• RQ2 新星噴出物における赤道環および双極性ラボスの形成を引き起こすメカニズムは何か？ また、それらはショック構造とどのように関係しているか？
• RQ3 なぜ新星が一時的GeVガンマ線源として検出されるのか？ これにより、噴出物構造および粒子加速の性質にどのような示唆が得られるか？
• RQ4 新星噴出物内のショック波は、非熱的電波放射、熱的X線、ショック駆動可視光放射にどのように寄与しているか？
• RQ5 新星の過酷な環境下でダストが形成される条件は何か？ また、それらはショック加熱された密度の高いガスとどのように関連しているか？

主な発見

• 核融合反応を行わない連星星—すなわち、単に降着によって駆動される連星星—は、弱い可視光および電波的特徴があるにもかかわらず、X線放射および紫外線の過剰/変動によって同定可能である。
• 連星星におけるX線放射は、内部降着フローの主要な診断指標であり、核融合反応を行わないシステムでは、10^12–10^13 cmスケールの風駆動降着円盤の明確な視認が可能である。
• フェルミ-LATは、一時的GeVガンマ線源として新星を検出した。これは、多成分噴出物内での内部ショックによる広範な粒子加速が生じていることを示している。
• 新星噴出物は一般的にコア＋ハロー構造を示し、ゆっくりとした密度の高いコアと高速な双極性噴出物との相互作用によって赤道環および双極性ラボスが形成されている。
• 爆発後約3.5年経過した時点で、V959 Monの高速成分は検出不能にまで衰え、古いシェルはもはやゆっくりとした密度の高いコア成分が支配的である可能性を示唆している。
• 新星における衝突流からのショック波は、非熱的電波放射、熱的X線、および初期の可視光放射の大部分を生成しており、ダスト形成は密度が高く冷却されたショック後ガスで発生している。