[論文レビュー] Modeling the Optical to Ultraviolet Polarimetric Variability from Thomson Scattering in Colliding Wind Binaries

Richard Ignace, Andrew G. Fullard+6 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 56被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、コラパッシブ・ウィンド・バイナリーにおける光学〜紫外線帯域の偏光変動を、トムソン散乱を用いてモデル化する。Brownら（1978）の一般化された偏光フレームワークと、Canto ら（1996）の半解析的衝撃形状を組み合わせたものである。偏光は軌道位相および波長に強く依存しており、特にWR+OB系においては、OB星が支配する波長帯で偏光がピークを迎える。これは、星の光度差に起因する顕著な色依存的効果である。

ABSTRACT

Massive star binaries are critical laboratories for measuring masses and stellar wind mass-loss rates. A major challenge is inferring viewing inclination and extracting information about the colliding wind interaction (CWI) region. Polarimetric variability from electron scattering in the highly ionized winds provides important diagnostic information about system geometry. We combine for the first time the well-known generalized treatment of \citet{brown_polarisation_1978} for variable polarization from binaries with the semi-analytic solution for the geometry and surface density CWI shock interface between the winds based on Canto et al 1996. Our calculations include some simplifications in the form of inverse square-law wind densities and the assumption of axisymmetry, but in so doing arrive at several robust conclusions. One is that when the winds are nearly equal (e.g., O\,+\,O binaries), the polarization has a relatively mild decline with binary separation. Another is that despite Thomson scattering being a gray opacity, the continuum polarization can show chromatic effects at ultraviolet wavelengths but will be mostly constant at longer wavelengths. Finally, when one wind dominates the other, as for example in WR+OB binaries, the polarization is expected to be larger at wavelengths where the OB component is more luminous, and generally smaller at wavelengths where the WR component is more luminous. This behavior arises because from the perspective of the WR star, the distortion of the scattering envelope from spherical is a minor perturbation situated far from the WR star. By contrast, the polarization contribution from the OB star is dominated by the geometry of the CWI shock.

研究の動機と目的

• 質量の大きな二重星系における軌道運動、ウィンド衝突幾何学、偏光変動を結びつける統一的理論的枠組みを構築すること。
• コラプシング・ウィンド・インタラクション（CWI）領域が、光学〜紫外線帯域にわたる連続スペクトルの偏光に与える影響を調査すること。
• ウィンドの非対称性および光度差が、偏光の振幅および色依存的挙動に与える影響を定量化すること。
• 比較的モデルを用いて、CWI衝撃からの偏光寄与と非相互作用ウィンド（NIWs）からの寄与を分離すること。
• 時間的・波長依存的偏光の観測可能性と診断的有用性を評価し、二重星の軌道傾き、質量放出率、ウィンド幾何学の推定に寄与できるかを検討すること。

提案手法

• Brown ら（1978）の一般化された偏光形式を、二つの星からの軌道運動および変動する照度を組み込む形で適応した。
• Canto ら（1996）の軸対称的で放射冷却されたウィンド衝突の半解析的界面解を統合した。
• CWI までが光学的に薄く、球対称的なウィンドを仮定し、逆二乗則に従う密度分布と軸対称性を持つものとした。
• 照度および投影係数で重み付けられた、散乱表面要素における角度積分を通じて、合成偏光を計算した。
• 質量放出率、光度などの系パラメータを関数とする偏光振幅の式を導出した（例：質量放出率、光度）。
• 衝撃の幾何学的特徴を抽出するために、CWI からの偏光と非相互作用ウィンド（NIWs）からの偏光を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コラプシング・ウィンド衝撃の幾何学的特徴が、質量の大きな二重星系における時間的・波長依存的偏光に与える影響は何か？
• RQ2 CWI が全偏光に占める相対的寄与は、非相互作用ウィンド（NIWs）と比べてどの程度で、軌道的分離度にどのように依存するか？
• RQ3 星の光度差およびウィンド特性の違い（例：WR星とOB星）が、色依存的偏光信号に与える影響は何か？
• RQ4 トムソン散乱はグレイな吸収率を示すが、紫外線帯域ではどのように波長依存的偏光が生じるのか？
• RQ5 偏光の軌道位相依存的変動を用いることで、観測された二重星系の軌道傾きおよびウィンド質量放出率を推定できるか？

主な発見

• O+O 二重星系では、両星のウィンドがほぼ同等の場合、二重星の分離度が増大しても偏光は僅かに減少する。これは、平面状の衝撃幾何学の安定性に起因する。
• トムソン散乱はグレイな吸収率を示すが、二つの星からの波長依存的照度の違いにより、連続スペクトルの偏光に色依存的効果が現れる。
• WR+OB 二重星系では、OB星が支配する波長帯で偏光が高くなる。これは、OB星の散乱断面積がCWIの幾何学的形状によって強く変形されているためである。
• WR星が光度で支配する場合、その散乱断面積はCWIの影響をほとんど受けず、ほぼ球対称的になるため、偏光は低くなる。
• OB星の偏光は歪んだ衝撃幾何学によって顕著に増幅されるが、WR星の寄与は相対的に小さく安定している。
• 等質量系の広い分離度において、CWI偏光とNIW偏光の比は約1.8に達する。これは、衝撃が合成偏光に強い影響を与えることを確認している。