[論文レビュー] Formation and Evolution of Compact Stellar X-ray Sources

Thomas M. Tauris, Ed van den Heuvel|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2003

High-pressure geophysics and materials参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、連星系における降着する中性子星およびブラックホールを焦点として、コンパクトな星間X線源の形成と進化をレビューする。質量降着が10³⁴–10³⁸ erg s⁻¹の高輝度を駆動することを説明し、Eddington制限降着率（10⁻¹¹–10⁻⁸ M☉ yr⁻¹）が恒久的なX線放射を支配することを示す。また、共通エンvelope進化や中性子星の皮膚におけるオーム散逸による磁場の減衰といったメカニズムを詳述する。

ABSTRACT

In this chapter we review the formation and evolution of compact binaries with neutron star and/or black hole components (i.e. LMXBs, HMXBs, binary pulsars). After an introduction we discuss stellar evolution in binaries and the processes involved in the mass-transfer phases of close binaries (RLO, CE, ang.mom.loss) with radiative/convective hydrogen or helium donor stars. We also describe the effects of accretion, asymmetric SN and systems merging as a result of gravitational wave radiation.

研究の動機と目的

• コンパクトな星間X線源の形成経路、特に連星系における中性子星およびブラックホールの形成をレビューすること。
• 降着がどのように高いX線輝度（10³⁴–10³⁸ erg s⁻¹）を駆動するかを説明し、白色矮星がコンパクトな天体になれない理由を明らかにすること。
• 角運動量損失メカニズム、特に共通エンベロープ進化の役割を分析し、Cen X-3 や PSR 1913+16 のような短周期連星系の形成を解明すること。
• 降着誘発磁場減衰、特に中性子星皮膚におけるオーム散逸とコア駆動磁場排出のメカニズムを調査すること。
• 磁場進化、質量移動、自転、公軌道力学を一貫して結合するモデルの限界を特定すること。

提案手法

• ケプラーの第三法則とドップラー変調を用いた質量関数解析により、Cen X-3 や Cyg X-1 などのX線連星における最小同伴星質量を導出する。
• 水素を主体とするガスに対するEddington降着限界（L_Edd ≈ 1.5×10⁻⁸ M☉ yr⁻¹）を適用し、観測されたX線輝度を制約し、超Eddington率での抑制現象を説明する。
• 空間的に変化する電気伝導度（σ_el）を組み込んだ誘導方程式を用いて、中性子星皮膚における磁場進化をモデル化する。温度、密度、格子不純物を考慮する。
• ストークスのストリーム関数と数値積分を用いて縮約された誘導方程式を解き、超伝導コア内での磁場の内向き移動と凍結を模擬する。
• ルーダーマン（1998年）が提唱したように、回転減速に伴い磁場がコアから排出される可能性を検討する。
• 降着率、自転周期、アルフエング半径、公軌道進化を一貫して結合する必要があるが、現在のモデルでは質量および角運動量損失メカニズムの詳細が不十分である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cen X-3 や Cyg X-1 などの質量の大きなX線連星が、超新星爆発によって破壊されずに生存できるメカニズムは何か？
• RQ2 共通エンベロープおよび角運動量損失プロセスが、数分から数時間の公軌道周期を持つ短距離連星系をどのように形成するか？
• RQ3 中性子星の最終的な磁場強度はどのように決定され、降着誘発オーム散逸がその強度に与える影響は何か？
• RQ4 恒久的LXMBおよびHMXBにおける観測されたX線輝度がなぜEddington領域に制限されているのか。また、降着率がこの限界を超えた場合に何が起こるのか？
• RQ5 磁場減衰、降着、公軌道進化を一貫してモデル化できるか。そのようなモデルにより、連星系における自転周期とX線挙動を予測可能か？

主な発見

• 10³⁷ erg s⁻¹のX線輝度は、中性子星への降着率が約10⁻⁹ M☉ yr⁻¹である必要があり、重力ポテンシャルエネルギーの放出は約10²⁰ erg g⁻¹である。
• X線が逃げ出し可能なコラム密度（0.3–0.5 g cm⁻²）を有するのは中性子星およびブラックホールに限られ、白色矮星（16 g cm⁻²）はX線を遮断するため、高輝度X線源を維持できない。
• Cen X-3 の質量関数は f = 15.5 M☉ であり、最小同伴星質量が約18 M☉ であることを示唆し、質量の大きなO型星と整合的である。
• Cyg X-1 では、推定されたコンパクト天体質量が3 M☉ を超えており、ブラックホールを確認するものであり、光学的同伴星はO9.7の超巨星である。
• 皮膚におけるオーム散逸による降着誘発磁場減衰は、最終的な磁場強度を10⁸–10⁹ Gにまで低下させ、観測されたミリ秒パulsarの磁場と一致する。
• 磁場進化、降着、自転、公軌道力学を一貫してモデル化する試みは、質量および角運動量損失メカニズムの理解が不十分であるため、未だ完全には達成されていない。