[論文レビュー] Spread of Matter Over a Neutron-Star Surface During Disk Accretion

N. A. Inogamov, R. Sunyaev|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ディスク降着中の中性子星表面における物質の拡散を研究するための浅水域モデルを開発した。低放射光度・弱い磁気圏を持つ系に焦点を当て、放射圧と遠心力が、非一様に回転する帯の縁に近い位置に2つの対称的な明るい輪を形成することを示した。放射光度が増加するにつれ、これらの輪は極方向へ移動する。その駆動要因は表面密度が最小で、緯向速度が最大となる領域にある。

ABSTRACT

Disk accretion onto a slowly rotating neutron star with a weak magnetic field $H < 3 imes 10^8$ gauss is considered in a wide range of luminosities $1/100 < L/L_{edd} < 1,$ where $L_{edd}$ is the Eddington luminosity. We construct a theory for the deceleration of rotation and the spread of matter over the stellar surface in the shallow-water approximation. The rotation slows down due to friction against the dense underlying layers. The deceleration of Keplerian rotation and the energy release take place on the stellar surface in a latitudinal belt whose meridional width rises with increasing $L.$ The combined effect of centrifugal force and radiation pressure gives rise to two latitudinal rings of enhanced brightness which are symmetric around the equator in the upper and lower hemispheres. They lie near the edges of differentially rotating and radiating upper and lower belts. The bright rings shift from the equatorial zone to higher latitudes when the luminosity $L$ rises. The ring zones are characterized by a minimum surface density and, accordingly, by a maximum meridional spread velocity. At a low accretion rate and luminosity, the released energy is removed through the comptonization of low-frequency photons.

研究の動機と目的

• ディスク降着中の中性子星表面における降着物質の流体力学的拡散を理解すること。
• 密度の高い下層との摩擦によって生じる回転減速とエネルギー散逸が星体表面でどのように起こるかを調査すること。
• 放射光度と放射圧の変動に応じた緯度方向の明るさ構造の形成と進化をモデル化すること。
• 遠心力とコンプトン化が表面の流れと放射パターンをどのように形作るかを特定すること。
• 降着放射光度が増加するに従い、明るい輪が赤道領域から極領域へ移行するメカニズムを探索すること。

提案手法

• 中性子星表面における薄い粘性流をモデル化するために、浅水域近似を用いる。
• 星体の回転減速を再現するため、密度の高い下層からの摩擦抵抗を組み込む。
• 径方向および緯度方向の速度成分、表面密度、エネルギー散逸を含む流体力学方程式を解く。
• 明るい輪の位置と構造を決定するために、放射圧および遠心力項を適用する。
• 低放射光度では、エネルギーの主な除去機構としてコンプトン化を想定する。
• 最大の流れ領域と最小の密度領域を特定するため、緯向拡散速度と表面密度分布を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな降着放射光度下で、降着物質は中性子星表面にどのように拡散するか？
• RQ2 上部および下部の半球に位置する2つの対称的な明るい輪は、何によって形成されるか？
• RQ3 明るい輪の位置は、放射光度が増加するにつれてどのように変化するか？
• RQ4 遠心力、放射圧、粘性抵抗のうち、表面の流れを形作る上で支配的な物理的メカニズムは何か？
• RQ5 エネルギー散逸はどのように起こり、低放射光度ではコンプトン化が果たす役割は何か？

主な発見

• 放射圧と遠心力の併存により、非一様に回転する上部および下部の表面帯の縁に近い位置に、2つの対称的な明るい輪が形成される。
• 放射光度 $ L $ が増加するにつれ、明るい輪は赤道領域から高緯度へ移動する。
• 明るい輪は、星体表面における表面密度が最小で、緯向拡散速度が最大となる領域に対応する。
• 密度の高い下層との摩擦により星体の回転が減速し、エネルギー散逸はその幅が放射光度に比例して広がる緯度帯で発生する。
• 低降着率では、低周波数の光子のコンプトン化によってエネルギーが主に除去される。
• モデルは、中性子星表面における放射および拡散領域の緯度的広がりと放射光度の明確な相関関係を予測している。