[논문 리뷰] A magnetic accretion disk-outflow model for state transition in X-ray binaries

Xinwu Cao, Bei You외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

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한 줄 요약

이 논문은 X선 이진성에서 딱딱한 X선 전이 광도와 부드러운 X선 피크 광도 사이의 밀접한 상관관계를 설명하기 위해 자기장 기반의 강착 원반-기수 모델을 제안한다. 이 모델은 외부 원반에서의 역류성 캐스케이드를 통해 생성된 대규모 자기장이 기인하는 자기장 기반 기수에 의해 각운동량 손실이 증가하고, ADAF 억제를 위한 임계 강착률이 상승함으로써 이 상관관계를 설명한다. 중성자별 X선 이진성(XRBs)은 블랙홀 XRBs보다 더 높은 점성 계수(α ∼0.15–0.4)를 요구하는 반면, 블랙홀 XRBs는 α ∼0.05–0.15를 요구한다.

ABSTRACT

The hard to soft state transition of the outbursts in X-ray binaries (XRBs) is triggered by the rising of the mass accretion rate due to the disk instability. In order to explain the observed correlation between the hard X-ray transition luminosity and the soft X-ray peak luminosity in the soft state, we construct a magnetic disk-outflow model for the state transition in XRBs. We assume that the large-scale magnetic field in the outer thin disk is formed through inverse cascade of small-scale dynamo generated field, and it is then advected by the inner advection dominated accretion flow (ADAF), which accelerates a fraction of the gas into the outflows. During the outbursts, the heating front moves inwards, and the field strength at the heating front of the outer disk is proportional to the accretion rate of the disk. Much angular momentum of the inner ADAF is carried away by the outflows for a stronger magnetic field, which leads to a high radial velocity of the ADAF. This makes the critical mass accretion rate of the ADAF increases with the field strength, and it therefore leads to a correlation between transition luminosity and the peak luminosity in the thermal state. We found that the values of the viscosity parameter $\alpha$ of the neutron star XRBs are systematically higher for those of the black hole (BH) XRBs ($\alpha\sim 0.05-0.15$ for BHs, and $\alpha\sim 0.15-0.4$ for neutron stars). Our model predicts the transition luminosity may be higher than the peak luminosity provided $\alpha$ is sufficiently high, which is able to explain a substantial fraction of outbursts in BHXRBs not reaching the thermally dominant accretion state.

연구 동기 및 목표

• X선 이진성의 활동기 동안 관측된 딱딱한 X선 전이 광도와 부드러운 X선 피크 광도 사이의 밀접한 상관관계를 설명하기 위해.
• 이론적 예측과 관측 결과 사이의 괴리, 즉 상태 전이를 위한 임계 강착률이 예상보다 더 크게 변동하는 것을 해결하기 위해.
• 중성자별과 블랙홀 XRBs 사이의 점성 계수(α)에 대한 체계적인 차이를 설명하기 위해.
• 일부 블랙홀 XRB 활동기에서 열적으로 지배적인 상태에 도달하지 못하는 이유를 설명하기 위해.

제안 방법

• 외부 얇은 원반에서 소규모 다이너모 자기장의 역류성 캐스케이드를 통해 대규모 자기장이 형성된다고 가정한다.
• 내부 ADAF로부터 각운동량을 운반하는 자기장 기반 기수를 모델링하며, 이를 통해 내부 흐름의 반경 방향 속도가 증가한다.
• ADAF 억제를 위한 임계 질량 강착률을 자기장 강도와 점성 계수 α의 함수로 계산한다.
• 전이 반경 rtr ∼20–30에서 자기장 기반 기수를 갖는 정 steady-state ADAF 모델을 사용한다.
• 관측적 제약 조건과 ISCO 근처 에너지 방출에 기반해 rtr ∼20–30을 채택한다.
• NSXRBs와 BHXRBs의 관측 데이터를 사용하여 모델 예측과 λtr 대 λpeak 상관관계를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 X선 이진성의 활동기에서 딱딱한 X선 전이 광도와 부드러운 X선 피크 광도 사이에 밀접한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 일반적인 임계 강착률을 가정하지 않고도 관측된 상관관계를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 중성자별 XRBs는 상태 전이의 맥락에서 블랙홀 XRBs보다 더 높은 점성 계수(α)를 요구하는가?
• RQ4 이 모델은 열적으로 지배적인 상태에 도달하지 못하는 활동기를 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ5 ADAF 내에서 자기장 수송이 ADAF 억제를 위한 임계 강착률을 어떻게 수정하는가?

주요 결과

• 모델은 자기장 강도와 외부 원반의 강착률 증가와의 연관성을 통해 관측된 λtr–λpeak 상관관계를 설명한다.
• 자기장 기반 기수가 ADAF 억제를 위한 임계 질량 강착률을 증가시켜 전이 광도를 높인다.
• 중성자별 XRBs는 블랙홀 XRBs보다 더 높은 α 값(α ∼0.15–0.4)을 요구하며, 이는 관측 결과와 일치한다.
• 모델은 α가 충분히 높을 경우 전이 광도가 피크 광도를 초과할 수 있음을 예측하여, BHXRBs에서의 비열적 활동기를 설명한다.
• ADAF 내 자기장 수송은 자기장을 반경 방향 내측으로 강화시켜 흐름 전반에 걸쳐 임계 강착률을 증가시킨다.
• 모델은 관측된 활동기 시간 상수와 일치한다. α−1이 강착 시간 상수를 결정하며, 이는 BHXRBs에서 더 긴 상승/감쇠 시간 상수를 설명한다.