[論文レビュー] The 2.35 year itch of Cyg OB2 #9 - I. Optical and X-ray monitoring

Yaël Nazé, L. Mahy+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、2011年近日点通過期に、質量の大きなO+O連星Cygnus OB2 #9について、光学およびX線観測を包括的に行った最初の研究であり、長周期で高い離心率を示す軌道を確認し、断熱的風-風衝突の明確な証拠を提供した。X線放射度は、断熱的衝撃波に対して予想される1/Dにほぼ従って変化し、近日点で放射冷却の影響によりプラズマ温度が約25%低下した。これは、最近接近時でも衝突が断熱的のままであるという、初めての例である。

ABSTRACT

Context: Nonthermal radio emission in massive stars is expected to arise in wind-wind collisions occurring inside a binary system. One such case, the O-type star Cyg OB2 #9, was proven to be a binary only four years ago, but the orbital parameters remained uncertain. The periastron passage of 2011 was the first one to be observable under good conditions since the discovery of binarity. Aims: In this context, we have organized a large monitoring campaign to refine the orbital solution and to study the wind-wind collision. Methods: This paper presents the analysis of optical spectroscopic data, as well as of a dedicated X-ray monitoring performed with Swift and XMM. Results: In light of our refined orbital solution, Cyg OB2 #9 appears as a massive O+O binary with a long period and high eccentricity; its components (O5-5.5I for the primary and O3-4III for the secondary) have similar masses and similar luminosities. The new data also provide the first evidence that a wind-wind collision is present in the system. In the optical domain, the broad Ha line varies, displaying enhanced absorption and emission components at periastron. X-ray observations yield the unambiguous signature of an adiabatic collision because, as the stars approach periastron, the X-ray luminosity closely follows the 1/D variation expected in that case. The X-ray spectrum appears, however, slightly softer at periastron, which is probably related to winds colliding at slightly lower speeds at that time. Conclusions: It is the first time that such a variation has been detected in O+O systems, and the first case where the wind-wind collision is found to remain adiabatic even at periastron passage.

研究の動機と目的

• 2.35年周期の連星として発見されたCygnus OB2 #9の軌道解を、光学スペクトロスコピーを用いて精緻化すること。
• 多波長観測を通じて、この質量の大きなO+O連星系における風-風衝突の性質を調査すること。
• 近日点通過期におけるX線放射が、断熱的か放射的衝撃過程かのどちらによって生じるかを特定すること。
• 衝突風領域内の物理的状態、すなわちプラズマ温度、放射度、衝撃ダイナミクスを制約すること。
• 今後の質量連星における3次元流体力学的モデル化の基準となる系を提供すること。

提案手法

• フランス・オート・プロヴァンス天文台（OHP）のSophieスペクトログラフを用いた光学スペクトロスコピーにより、径速度変動を測定し、軌道パラメータを精緻化した。
• スペクトル分離法を用いて、個々の星のスペクトル型を特定した：主星はO5-5.5I、副星はO3-4III。
• SwiftおよびXMM-Newtonを用いたX線モニタリングにより、軌道位相にわたる放射度およびスペクトル変動を追跡した。
• 放射駆動風近似（Castor et al. 1975）を用い、放射冷却の影響を含めた風-風衝突のモデル化を行った。
• 観測されたX線放射度および温度の変化を、理論的な1/D依存性と冷却パラメータχ（断熱的・放射的衝撃波の比較）と照合した。
• 冷却パラメータχを用いて、衝撃領域における放射損失の程度を評価した。χの値が1に近いことは、断熱的状態を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cygnus OB2 #9のX線放射度は、断熱的風-風衝突に予想される1/D依存性に従うか？
• RQ2 軌道にわたるプラズマ温度の変化の性質は何か？放射冷却の影響が示唆されるか？
• RQ3 近日点における光学的Hαラインプロファイルはどのように変化するか？風のダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ4 近日点における観測されたX線スペクトルのソフトニングは、放射冷却による衝撃速度の低下で説明できるか？
• RQ5 Cygnus OB2 #9の風-風衝突は、近日点を含め、軌道全体で断熱的であるか？

主な発見

• 精緻化された軌道解は、Cygnus OB2 #9が長周期（P ≈ 2.35年）、高い離心率（e ≈ 0.7）を示すO+O連星であり、質量と光度がほぼ等しいことを確認した。
• 主星はO5-5.5I、副星はO3-4IIIと分類され、スペクトル分離法により、それぞれ明確に異なるが類似した特徴を有することが確認された。
• Hα線には近日点で強化された吸収および発光成分が観測され、風構造の動的変化を示している。
• X線放射度は、断熱的衝撃波に予想される1/D依存性にほぼ完全に従っており、軌道全域で顕著なずれは認められなかった。
• X線スペクトルは近日点でソフトニングを示し、2番目の熱的成分の温度が約25%低下した（遠星点で約2.7 keV、近日点で約2.0 keV）。これは、風衝突モデルにおける放射冷却の影響と整合的である。
• これは、高密度および強い放射場にさらされても、近日点でも風-風衝突が断熱的のままであるとされる、初めての観測例である。