[論文レビュー] Nature, formation and evolution of High Mass X-ray Binaries

S. Chaty|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

このレビューは、高質量X線連星（HMXBs）における観測的・理論的進展を統合し、BeHMXBs、風駆動型超巨星HMXBs（sgHMXBs）、およびローブ・オーバーフロー系の3種類のタイプに焦点を当てる。INTEGRALおよび多波長データを用いて、遮蔽され、恒久的なsgHMXBsおよびSFXTsの隠れた集団が明らかにされ、それらの行動が塊状の風降着と一時的ディスク形成に関連していることが示され、HMXBの進化および降着物理学に関する理解が著しく向上した。

ABSTRACT

The aim of this review is to describe the nature, formation and evolution of the three kinds of high mass X-ray binary (HMXB) population: i. systems hosting Be stars (BeHMXBs), ii. systems accreting the stellar wind of supergiant stars (sgHMXBs), and iii. supergiant stars overflowing their Roche lobe. There are now many new observations, from the high-energy side (mainly from the INTEGRAL satellite), complemented by multi-wavelength observations (mainly in the optical, near and mid-infrared from ESO facilities), showing that a new population of supergiant HMXBs has been recently revealed. New observations also suggest the existence of evolutionary links between Be and stellar wind accreting supergiant X-ray binaries. I describe here the observational facts about the different categories of HMXBs, discuss the different models of accretion in these sources (e.g. transitory accretion disc versus clumpy winds), show the evidences of a link between different kinds of HMXBs, and finally compare observations with population synthesis models.

研究の動機と目的

• 高質量X線連星（HMXBs）の3つの異なる亜型、すなわちBeHMXBs、風駆動型sgHMXBs、およびローブ・オーバーフロー系の性質、形成、進化経路を特定すること。
• BeHMXBsとsgHMXBsの間の観測的・物理的関連性を、降着メカニズムと進化経路を通じて調査すること。
• 特にINTEGRAL、ESO施設、光学／赤外データからの多波長観測が、HMXB集団モデルの精緻化に与える影響を評価すること。
• 星風の塊状性と一時的降着ディスクの役割が、SFXTsおよび遮蔽されたsgHMXBsにおけるX線フレアを説明するメカニズムとして果たす役割を評価すること。
• 観測的制約を集団合成モデルと比較し、HMXBの形成率と進化の終末状態をよりよく予測するための改善点を明らかにすること。

提案手法

• INTEGRAL（X線）、ESO望遠鏡（光学、近赤外、中赤外）、およびアーカイブ調査からの多波長データを分析し、HMXB集団の同定と特徴付けを行う。
• ボンディ＝フロイド＝リトルトン降着モデルおよび塊状星風降着モデルを適用し、BeHMXBsおよびSFXTsにおける一時的X線増光とフレアを説明する。
• Hα線幅および赤外過剰を、BeHMXBsにおける降着ディスクのサイズと質量損失のトレーサーとして用いる。
• X線光度、スピン周期（Pspin ~1 ks）、および吸収光学厚さ（NH）の相関関係を用いて、遮蔽され、恒久的なsgHMXBsおよびSFXTsを同定する。
• 観測されたHMXBの分布（例：スペクトル型、公軌道周期、距離）を集団合成モデルと比較し、初期状態と進化制約を推定する。
• 超新星のナタルキックおよび角運動量損失が、HMXB系の公軌道および質量分布をどのように形作っているかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BeHMXBsと風駆動型sgHMXBsの間には、どのような観測的・物理的関連性があり、それらはHMXBの進化にどのように寄与するか？
• RQ2 塊状星風が、SFXTsで観測される短時間で強いX線フレア（ピークフラックス ~1 Crab、持続時間 1–100 s）と、一部のsgHMXBsの一時的挙動をどのように説明できるか？
• RQ3 周囲星間降着ディスクがBeHMXBsにおける降着をどのように調節しているか、またその性質がX線増光タイプとどのように相関しているか？
• RQ4 高NHおよび長いPspinを特徴とする新たに発見された遮蔽され、恒久的なsgHMXBsの性質は、降着および連星進化モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 集団合成モデルは、銀河内での観測されたHMXB分布をどの程度正確に再現できており、さらなる改善には何が必要か？

主な発見

• INTEGRALにより、銀河内における既知の超巨星HMXBsの数が4倍に増加し、高吸収率（NH）および長いスピン周期（~1 ks）を示す、これまで見えなかった遮蔽され恒久的な源の集団が明らかになった。
• INTEGRALによって、新しい一時的源のクラス、すなわち超巨星速X線トランジエンス（SFXTs）が同定され、約100日ごとに短時間で強いフレア（ピークフラックス ~1 Crab、持続時間 1–100 s）を示すことが判明し、塊状星風降着によって説明できるようになった。
• 新たに発見された多くのsgHMXBsは、密集した星風に深く埋め込まれており、その周囲にダストココウを形成し、連星系全体を包囲するようになっており、強い内部吸収を引き起こしている。
• BeHMXBsにおけるHα線幅と降着ディスクサイズの相関関係は、周囲にディスクが存在することを支持しており、HMXBs内のBe星はB0 V（約16 M☉）でピークを示し、O9 VからB2 Vの範囲にわたる。
• SFXTsおよび遮蔽されたsgHMXBsの存在は、HMXBsにおける降着がしばしば顕著に変動し、定常的な星風降着よりも、一時的で塊状の供給に支配されている可能性を示唆している。
• 集団合成モデルの結果、広い公軌道を持つsgHMXBs（Porb ~100日）は初期公軌道周期が約10日程度から始まり、共通エンvelope段階を生き残った可能性があり、今後の二重中性子星またはBH-NS系に進化する可能性がある。