[論文レビュー] High Energy Phenomena in Supergiant X-ray Binaries

S. Chaty|arXiv (Cornell University)|May 12, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、INTEGRAL衛星による、これまで軽視されてきた大質量X線連星（sgXB）の新たな集団の発見を報告しており、2つの異なる亜群に分かれることが明らかになった。1つは、高吸収で持続的かつ風駆動型のシステムで、長い自転周期と、連星を包囲するほこりのココンを有するものであり、もう1つは、不均一な風の降着による短時間の激しいフレアを示すスーパージャイアント・ファストX線トランスジェント（SFXT）である。本研究は、これらのシステムが大質量星形成領域に関連しており、高エネルギー連星進化の重要な段階を占めることを確立した。また、ガンマ線放射やコンパクト天体の前身星に関する示唆も示している。

ABSTRACT

The INTEGRAL satellite has revealed a major population of supergiant High Mass X-ray Binaries in our Galaxy, revolutionizing our understanding of binary systems and their evolution. This population, constituted of a compact object orbiting around a massive and luminous supergiant star, exhibits unusual properties, either being extremely absorbed, or showing very short and intense flares. An intensive set of multi-wavelength observations has led us to reveal their nature, and to show that these systems are wind-fed accretors, closely related to massive star-forming regions. In this paper I describe the characteristics of these sources, showing that this newly revealed population is linked to the evolution of gamma-ray emitting massive stars with a compact companion.

研究の動機と目的

• INTEGRAL衛星が検出した高エネルギー天体の性質と特徴を特定すること、特にスーパージャイアント大質量X線連星（sgXB）に焦点を当てる。
• 同伴星の同定、軌道周期と自転周期の測定、固有吸収および周囲環境の評価を通じて、これらのシステムの進化経路を特定すること。
• 高吸収で持続的かつ風駆動型のシステムと、短時間のフレアを示す遷移的SFXTの2つの新しい亜群を区別すること。
• これらのシステムが大質量星形成領域に関連していること、およびコンパクト天体連星の形成、特に重力波源の前身星としての役割を評価すること。

提案手法

• ESOの3.5m NTT（EMMI, SOFI）およびVLTの8m UT3（VISIR）を用いた多波長観測により、21個のINTEGRAL天体の光学、近赤外、中赤外の画像およびスペクトルを取得した。
• 光学、NIR、MIRデータのスペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングにより、距離の推定、同伴星の同定、周囲のほこりやガス成分の検出を実施した。
• INTEGRALのIBISおよびSPI機器からのX線光度曲線および周期的変動の解析により、自転周期と軌道周期の測定、X線変動性の評価を実施した。
• 観測されたN_H–P_spinおよびN_H–P_orb相関を理論的モデルと比較し、sgXBとBeXBを物理的に区別した。
• 一時的フレアを捉えるために、オピポートーチュニティ（ToO）およびビジターモード観測を活用し、迅速な追従観測を可能にした。
• 集団合成モデルを用いて、これらのシステムの進化経路を探索し、特に共通エンvelope段階の前身段階としての役割や、コンパクト天体合体の可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 INTEGRALによって明らかにされた新しいスーパージャイアント大質量X線連星集団の性質は何か？ かつて知られていたHMXBクラスとはどのように異なるか？
• RQ2 スーパージャイアント・ファストX線トランスジェント（SFXT）で観測される極端なX線変動の原因は何か？ また、これは連星系の軌道的および風構造とどのように関係しているか？
• RQ3 一部のsgXBで観測される高い固有吸収は、連星を包囲する密度の高いほこりのココンによるものであり、その割合はどの程度か？ また、これによりX線の変調がどのように影響を受けるか？
• RQ4 sgXBにおける軌道パラメータと降着幾何学的構造は、X線光度およびスペクトル状態とどのように相関しているか？
• RQ5 これらのシステムは、大質量連星進化の文脈において、特にコンパクト天体合体および重力波源の前身星としての進化的意義は何か？

主な発見

• INTEGRALは、銀河内における既知のスーパージャイアントX線連星の数を3倍に増やし、質量が大きく明るい早期型の同伴星を有する15個の新しいHMXBを同定した。
• 同定された15個のHMXBのうち12個は、長い自転周期（139–5880 s）と4–14日間の軌道周期を有する風駆動型システムであり、コルベット図の上部領域に位置づけられる。
• 3つの天体は、約1000 Kの温度で約10 R*の距離まで延びるほこりのココンを示す中赤外過剰を示しており、これが高固有吸収の原因であると説明できる。
• SFXTクラス（例：IGR J17544-2619）は、約1時間の短時間フレアを示し、ピーク光度は約10^36 erg s⁻¹である。このフレアは約7–100日周期で繰り返られ、不均一な風の降着と一致する。
• 観測されたN_H–P_spinおよびN_H–P_orb相関は、sgXBとBeXBが物理的に異なることを示しており、sgXBはより高い吸収と長い自転周期を示す。
• 集団合成モデルの結果、これらのシステムは共通エンvelope段階の前身段階を表しており、NS/NSまたはNS/BH合体および短時間硬放射ガンマ線バーストとの関連が示唆される。