[論文レビュー] Settling accretion onto slowly rotating X-ray pulsars

N. I. Shakura, К. А. Постнов+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 53被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ゆっくり回転するX線パルサーへの準球形亜音速降着の理論的モデルを提案する。角運動量は準静的シェル内の大規模な対流運動を通じて転送され、$ω \sim 1/R^2$ の回転則を生じる。このモデルは回転の加速・減速行動と放射度の変動を説明でき、観測された回転速度および放射度の変動から中性子星の磁場と風速度を推定可能である。

ABSTRACT

Quasi-spherical subsonic accretion onto slowly rotating magnetized NS is considered, when the accreting matter settles down subsonically onto the rotating magnetosphere, forming an extended quasi-static shell. The shell mediates the angular momentum transfer to/from the rotating NS magnetosphere by large-scale convective motions, which lead to an almost iso-angular-momentum rotation law inside the shell. The accretion rate through the shell is determined by the ability of the plasma to enter the magnetosphere due to Rayleigh-Taylor instability while taking cooling into account. The settling regime of accretion is possible for moderate X-ray luminosities L <4 10^36 erg/s. At higher luminosities a free-fall gap above the NS magnetosphere appears due to rapid Compton cooling, and accretion becomes highly non-stationary. From observations of spin-up/spin-down rates of wind accreting equilibrium XPSRs with known orbital periods (GX 301-2, Vela X-1), the main dimensionless parameters of the model and be determined and the NS magnetic field can be estimated. For equilibrium pulsars with independent measurements of the magnetic field the velocity of the stellar wind can be estimated without the use of complicated spectroscopic measurements. For non-equilibrium pulsars, a maximum possible value of the spin-down rate of the accreting neutron star exists. From observations of the spin-down rate and the X-ray luminosity in such pulsars (e. g. GX 1+4, SXP 1062 and 4U 2206+54) a lower limit on the neutron star magnetic field is obtained, which in all cases turns out to be close to the standard 10^12-10^13 G value, in agreement with cyclotron line measurements. The model explains both the spin-up/spin-down of the pulsar frequency on large time-scales and the irregular short-term frequency fluctuations, which may correlate or anti-correlate with the X-ray luminosity fluctuations.

研究の動機と目的

• ゆっくり回転する磁化された中性子星への準球形亜音速降着の理論的枠組みを構築すること。
• X線パルサーで観測された回転の加速・減速行動および不規則な周波数変動を説明すること。
• 分光測定に依存せずに、中性子星の磁場と同伴星の風速度を推定すること。
• コンプトン冷却に起因する降着の定着状態から自由落下状態への遷移が生じる条件を特定すること。
• 高質量X線連星における長期的回転傾向と短期的フラクチュエーションを解釈する物理的根拠を提供すること。

提案手法

• 中性子星磁気圏周囲の準静的で亜音速のシェルとして降着をモデル化し、角運動量の転送は大規模な対流運動によって媒介される。
• エネルギーと運動量のバランスから導かれる、乱流加熱とコンプトン冷却を含む径方向流れの運動方程式を用いる。
• 乱流加熱率を $ (dQ/dt)^+_{t} = \frac{c_s^3}{2\alpha_t R} m_t^3 $ で記述し、$ m_t $ を乱流マッハ数とする。
• 冷却時間 $ t_C $ を用いてコンプトン冷却を $ (dQ/dt)^{-}_C = -\frac{c_V(T - T_x)}{t_C} $ として扱う。
• 乱流および冷却効果を含む修正されたベルヌーイ型方程式を用いて、臨界点速度 $ |u_r| $ を解く。
• 降着が亜音速（定着）か超音速（自由落下ギャップ）かを特定するため、次元なし速度比 $ f(u) = |u_r|/u_{ff} $ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゆっくり回転するX線パルサーへの準球形降着において、角運動量の転送を媒介する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 コンプトン冷却に起因する定着降着から自由落下降着への遷移が生じる条件は何か？
• RQ3 観測された回転の加速・減速率およびX線放射度を用いて、中性子星の磁場と同伴星の風速度を推定できるか？
• RQ4 乱流運動と冷却は、降着流における臨界点の位置にどのように影響を与えるか？
• RQ5 周波数の変動とX線放射度の変動の間の観測された相関または逆相関は、どのように説明できるか？

主な発見

• 定着降着が成立するためには降着率が $ \dot{M} \lesssim 4 \times 10^{16} $ g/s に制限され、それ以上になると急速なコンプトン冷却に起因して自由落下ギャップが形成される。
• GX 301-2 や Vela X-1 のような平衡状態にあるパルサーでは、観測された回転の加速・減速率から分光測定に依存せずに中性子星の磁場と同伴星の風速度を推定可能である。
• GX 1+4 や SXP 1062、4U 2206+54 のような非平衡状態のパルサーでは、モデルが最大の回転減速率を予測し、サイクロトロン線測定と整合する磁場の下限値を導く。
• 本モデルは長期的回転傾向と短期的周波数フラクチュエーションの両方を説明でき、X線放射度の変動と相関または逆相関する可能性がある。
• 乱流と冷却の影響により臨界点の位置が上方にシフトする。$ t_{ff}/t_C \approx 0.46 $ の場合、径方向速度は自由落下速度の $ f(u) \approx 0.5-0.6 $ 倍に達する。
• 等方的乱流（$ m_t = 1 $）の場合は $ A \approx 1.23 $、非等方的乱流（$ m_{\parallel}=1 $）の場合は $ A \approx 0.8 $ となり、臨界点速度に影響を与える。