[論文レビュー] The 2.35 year itch of Cygnus OB2#9 III. X-ray and radio emission analysis based on three dimensional hydrodynamical modelling

E. R. Parkin, J. M. Pittard+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2014

High-pressure geophysics and materials参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、サイクヌス OB2 #9 雙星系の3次元自己適応メッシュリファインメント流体ダイナミクスシミュレーションを用い、風同士の衝突衝撃波からのX線および非熱的電波放射をモデル化する。X線観測に一致させるには、低電子対イオン温度比（約0.1）および低減された質量放出率（約6.5–7.5×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹）が要求され、電波放射はシンクロtron放射が支配的であり、等分配の仮定が成り立たない磁場および相対論的エネルギー密度の非等分配を示唆しており、標準モデルを超える複雑な粒子加速物理学を示唆する。

ABSTRACT

X-ray and radio data recently acquired as part of a project to study Cyg OB2#9 are used to constrain physical models of the binary system, providing in-depth knowledge about the wind-wind collision and the thermal, and non-thermal, emission arising from the shocks. We use a three-dimensional, adaptive mesh refinement simulation (including wind acceleration, radiative cooling, and the orbital motion of the stars) to model the gas dynamics of the wind-wind collision. The simulation output is used as the basis for radiative transfer calculations considering the thermal X-ray emission and the thermal/non-thermal radio emission. To obtain good agreement with the X-ray observations, our initial mass-loss rate estimates require a down-shift by a factor of roughly 7.7 to $6.5 imes10^{-7}$ and $7.5 imes10^{-7}$ solar mass per year for the primary and secondary star, respectively. Furthermore, the low gas densities and high shock velocities in Cyg OB2#9 are suggestive of unequal electron and ion temperatures, and the X-ray analysis indicates that an (immediately post-shock) electron-ion temperature ratio of $\simeq 0.1$ is also required. The radio emission is dominated by (non-thermal) synchrotron emission. A parameter space exploration provides evidence against models assuming equipartition between magnetic and relativistic energy densities. However, fits of comparable quality can be attained with models having stark contrasts in the ratio of magnetic-to-relativistic energy densities. The radio models also reveal a subtle effect whereby inverse Compton cooling leads to an increase in emissivity as a result of the synchrotron characteristic frequency being significantly reduced. Finally, using the results of the radio analysis, we estimate the surface magnetic field strengths to be $\approx 0.3-52\;$G. (Abridged)

研究の動機と目的

• 多波長観測を用いて、質量の大きな二重星であるサイクヌス OB2 #9の風同士の衝突領域における物理的状態を制約すること。
• 衝撃加熱および粒子加速の文脈において、X線および非熱的電波放射の起源を調査すること。
• 磁場と相対論的エネルギー密度の等分配といった標準的仮定が、この系で成り立つかどうかを検証すること。
• 放射冷却、風の加速、観測方向の影響が観測された光曲線に与える役割を特定すること。
• 磁気的星の観測値と比較するために、電波放射モデルに基づいて表面磁場強度を推定すること。

提案手法

• 二重星の軌道運動、放射冷却、風の加速を含む3次元自己適応メッシュリファインメント（AMR）流体ダイナミクスシミュレーションを採用した。
• シミュレーション出力を放射輸送計算の入力として用い、放射出力X線および電波スペクトルを計算した。
• 流体ダイナミクスシミュレーションからの衝撃後ガスの温度および密度構造を用いて、熱的X線放射をモデル化した。
• 相対論的電子エネルギー分布および磁場強度をパラメータ化した注入効率（ζ_rel、ζ_B）を用いて、非熱的電波放射をシンクロtron放射としてシミュレートした。
• 観測されたX線および電波光曲線とスペクトルに一致するモデルを得るために、ζ_rel、ζ_B、およびスペクトル指数pのパラメータ空間を探索した。
• 電波放射モデルにおいて、自由自由吸収、ラジン効果、逆コンプトン冷却といった減衰機構を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイクヌス OB2 #9の観測されたX線スペクトルを再現するには、衝撃後領域における電子対イオン温度比はどの程度である必要があるか？
• RQ2 主星および副星の推定質量放出率は、過去の推定値と比較してどう異なるか。X線観測に一致させるためにどのような修正が必要か？
• RQ3 観測された非熱的電波放射は、衝撃領域における磁場と相対論的エネルギー密度の等分配と整合するか？
• RQ4 衝撃前風速度および二重星間隔の変化が、軌道位相にわたるX線および電波光曲線にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測されたスペクトル指数p ≪ 2を生じる物理的メカニズムは何か。標準的な拡산衝撃加速予測と比較するとどうなるか？

主な発見

• X線データは、衝撃後領域における電子対イオン温度比が約0.1である必要があることを示しており、電子加熱の非効率性を示唆する。
• 必要な質量放出率は、過去の推定値と比較して著しく低減されており、約7.7倍の低減が求められ、主星では6.5×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹、副星では7.5×10⁻⁷ M☉ yr⁻¹の値が得られた。
• 電波放射は非熱的シンクロtron放射が支配的であり、熱的放射は無視できるほど小さい。これは、以前の電波観測と一致する。
• 磁場と相対論的エネルギー密度の等分配を仮定するモデルは、スペクトル指数pを1から2の間で変化させても観測を再現できない。
• 最良の適合モデルでは、エネルギー密度比に著しい対比が見られる：ζ_rel ≫ ζ_B（例：ζ_rel = 0.15、ζ_B = 5×10⁻⁵、p = 1.6）またはζ_rel ≪ ζ_B（例：ζ_rel = 3×10⁻⁴、ζ_B = 0.5、p = 1.2）であり、標準的でない加速物理学を示唆する。
• 表面磁場強度は約0.3–52 Gと推定され、強磁場を持つ単一星の典型的値より低い。観測されたp ≪ 2の値は、上流の粒子による衝撃の修正とは整合せず、複数の弱い衝撃での再加速などの代替加速メカニズムを示唆する。