[論文レビュー] Vela X-1 as a laboratory for accretion in High-Mass X-ray Binaries

P. Kretschmar, S. Martínez‐Núñez+8 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高質量X線連星における降着の研究のベンチマーク系としてVela X-1を提示し、多波長観測を用いて星風構造および降着流の高度なモデルを検証する。非β則風速度プロファイルが中性子星周辺で降着予測を顕著に変化させることを示し、単純なBondi-Hoyleモデルに基づく従来の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

Vela X-1 is an eclipsing high mass X-ray binary (HMXB) consisting of a 283s accreting X-ray pulsar in a close orbit of 8.964 days around the B0.5Ib supergiant HD77581 at a distance of just 2.4 kpc. The system is considered a prototype of wind-accreting HMXB and it has been used as a baseline in different theoretical or modelling studies. We discuss the observational properties of the system and the use of the observational data as laboratory to test recent developments in modelling the accretion process in High-Mass X-ray Binaries (e.g., Sander et al. 2018; El Mellah et al. 2018), which range from detailed descriptions of the wind acceleration to modelling of the structure of the flow of matter close to the neutron star and its variations.

研究の動機と目的

• 高質量X線連星における降着物理学のテストベッドとして、Vela X-1の良好に制約されたシステムパラメータを用いる。
• 標準的なβ則風モデルからの逸脱が降着流および観測されたX線変動に与える影響を調査する。
• 観測された輝度変動および吸収特徴を、現実的なクラスターウインドおよび降着コラムモデルと一致させる。
• 全バンド幅X線分光およびパルスプロファイル解析を用いて、降着コラム構造および放射の幾何的配置の理解を向上させる。
• 電波およびX線蛍光線を含む多波長診断法を活用し、星風構造および降着ダイナミクスを調べる。

提案手法

• INTEGRALおよびNuSTARによる複数エポックのX線モニタリングを用い、軌道的輝度変動およびパルスプロファイルの安定性を追跡した。
• X線照射を伴う流体力学的に整合性のある星風モデルを適用し、中性子星近傍における非β則風速度プロファイルを導出した。
• 約25 keVおよび約55 keVにおけるX線蛍光線およびサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSFs）を分析し、降着コラムの状態を推定した。
• ハードX線輝度の対数正規分布モデルを用いて、短時間スケールの変動およびクラスターウインド構造との関連を特徴づけた。
• 光学および電波データ（ATCA検出を含む）を統合し、降着流構造および大スケールでの星風クラスタリングを調査した。
• 全バンド分光を用いて放射の幾何的配置を制約し、パルサーの放射ビームにおける一般相対性理論効果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星近傍の非β則風速度プロファイルは、Vela X-1における降着率推定にどのように影響を与えるか？
• RQ2 現実的なクラップサイズを有するクラスターウインドモデルは、観測されたX線輝度および吸収変動をどの程度再現できるか？
• RQ3 Vela X-1における調和サイクロトロン線エネルギーの長期的ソフトニングの原因は何か？また、降着状態の変化とどのように関係しているか？
• RQ4 『オフ状態』におけるパルスプロファイルの変動は、降着コラム幾何および放射ビーム構造の変化をどのように反映しているか？
• RQ5 X線、電波、光学の多波長データを統合することで、Vela X-1における降着ウェークおよび星風クラスタリングの構造を共同で制約できるか？

主な発見

• X線照射の影響により、中性子星近傍の星風速度プロファイルは標準的なβ則から顕著に逸脱しており、従来の仮定よりも局所的な風速が低くなることが示唆される。
• IUEおよびChandra HETGSデータからの星風終端速度は600 km/sから1700 km/sの範囲にあり、最近の解析で $v_{\rm \infty} = 700^{+200}_{-100}$ km/s および $\dot{M} = 10^{-6.2 \pm 0.2} M_{\odot}/\text{yr}$ が得られた。
• 短時間スケール（数分から数時間）での輝度変動は、単純な1次元クラスターウインドモデルと整合せず、より複雑な降着物理学を必要とする。
• Vela X-1のパルス平均ハードX線輝度は対数正規分布に従い、動的星風構造に起因する確率的変動を示している。
• 約25 keVおよび約55 keVにおけるサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSFs）は輝度とやや正の相関を示しており、準臨界降着を示唆しており、2012年ごろまで調和線の重心エネルギーが低下した。
• 2019年1月の長時間観測キャンペーン（INTEGRALおよびNuSTARを用いて）では、複雑な軌道モードおよび輝度変動が観測されたが、さらなる洞察を得るための完全な解析は未了である。