[論文レビュー] The Be/X-ray transient 4U 0115+63/V635 Cassiopeiae. III. Quasi-cyclic variability

P. Reig, V. M. Larionov+3 more|ArXiv.org|Nov 16, 2006

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 34被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、Be星回りの降着円盤の形成と破壊によって駆動される約5年周期の準周期的変動を示すBe/X線連星4U 0115+63/V635 Casの確認がなされた。X線の活動期間中に2回の噴出が観測され、2回目の噴出が円盤の散逸を示す。光学および赤外の変動は円盤状態とHα線発光と強く相関しており、中性子星の重力的摂動による円盤の短絡化モデルを支持する。

ABSTRACT

4u 0115+63 is one of the most active and best studied Be/X-ray transients. Previous studies of 4u0115+63 have led to the suggestion that it undergoes relatively fast quasi-cyclic activity. However, due to the lack of good coverage of the observations, the variability time scales are uncertain. Our objective is to investigate the long-term behaviour of 4u 0115+63 to confirm its quasi-cyclic nature and to explain its correlated optical/IR and X-ray variability. We have performed optical/IR photometric observations and optical spectroscopic observations of 4u 0115+63 over the last decade with unprecedented coverage. We have focused on the Halpha line variability and the long-term changes of the photometric magnitudes and colours and investigated these changes in correlation with the X-ray activity of the source. results The optical and infrared emission is characterised by cyclic changes with a period of ~ 5 years. This long-term variability is attributed to the state of the circumstellar disc around the Be star companion. Each cycle involves a low state when the disc is very weak or absent and the associated low amplitude variability is orbitally modulated and a high state when a perturbed disc precesses, giving rise to fast and large amplitude photometric changes. X-ray outbursts in 4u 0115+63 come in pairs, i.e., two in every cycle. However, sometimes the second outburst is missing. Our results can be explained within the framework of the decretion disc model. The neutron star acts as the perturbing body, truncating and distorting the disc. The first outburst would occur before the disc is strongly perturbed. The second outburst leads to the dispersal of the disc and marks the end of the perturbed phase.

研究の動機と目的

• 4U 0115+63/V635 Casの長期的な光学・赤外・X線変動を調査し、その準周期的性質を確認すること。
• 光学・赤外の光度およびスペクトロスコピック変動（特にHα）とX線活動との相関関係を特定すること。
• 円盤の進化と中性子星との相互作用の文脈において、観測された準周期的挙動の起源を説明すること。
• X線噴出のタイミングと振幅、円盤状態の遷移を分析することで、降着円盤モデルを検証すること。
• X線噴出が発生する条件を理解し、なぜ通常は1サイクルに2回の噴出が観測されるが、ときには1回しか観測されないのかを解明すること。

提案手法

• 4U 0115+63/V635 Casの10年間にわたる光学および赤外光度測定によるモニタリングキャンペーンを、前例のない時間的カバレッジで実施した。
• 周囲円盤状態の変化を追跡するため、Hα線の変動に焦点を当てた光学スペクトロスコピーを実施した。
• 長期的な光度およびスペクトロスコピックデータを、アーカイブされたX線光曲線および噴出記録と照合した。
• 円盤の形成・進動・破壊の各フェーズと関連して、X線噴出のタイミングと振幅を分析した。
• 中性子星を摂動源とする降着円盤モデルを用いて、観測された準周期的挙動を解釈した。
• 標準的な円盤方程式を用いて円盤質量と降着率を定量化した：$ M_d \sim 2.6 \times 10^{-9} \, M_\odot $（$ n=2 $の場合）、$ \dot{M} \sim 7 \times 10^{-11} \, M_\odot \, \text{month}^{-1} $（$ L_X \sim 10^{37} \, \text{erg s}^{-1} $の場合）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4U 0115+63/V635 Casは約5年周期の安定した準周期的変動パターンを示しているか？
• RQ2 光学および赤外の光度およびスペクトロスコピック変動は、X線噴出とどのように相関しているか？
• RQ3 なぜ4U 0115+63/V635 CasのX線噴出は通常2回ずつ観測されるのか、また2回目の噴出が欠落する理由は何か？
• RQ4 降着円盤は源の活動サイクルをどのように調節しているか？
• RQ5 中性子星の重力的相互作用は、円盤構造にどのように影響を与え、X線噴出を引き起こすのか？

主な発見

• 源は約5年周期の準周期的変動を示しており、円盤が存在しないまたは弱い低状態と、円盤が存在し摂動を受けている高状態の繰り返しである。
• X線の噴出は高状態中に2回観測され、2回目の噴出が摂動を受けた円盤フェーズの終焉とその散逸を示している。
• 最初の噴出後に、光学および赤外の等級とHα等価幅は比較的安定しており、その時点で円盤が著しく歪んでいなかったことを示している。
• 最初の噴出後に円盤がねじれたり傾いたりし、最も摂動の強い段階で2回目のX線噴出が発生した。
• 噴出中の質量移動率は$ 7 \times 10^{-11} \, M_\circ \, \text{month}^{-1} $と推定され、円盤質量の10％未満にとどまり、長期的な円盤質量変化が最小限であることに整合している。
• 2回目の噴出が欠落する場合、高状態はサイクル全体にわたり持続しており、円盤不安定性に起因する通常の2回噴出パターンの破綻を示している。