[논문 리뷰] A test for the theory of colliding winds: the periastron passage of 9 Sagittarii I. X-ray and optical spectroscopy

G. Rauw, R. Blomme외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 79인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2013년 페리아스트론 통과 기간 동안 XMM-Newton X선 및 HERMES 적외선 분광법을 사용하여 거대 이중성계 9 샤투리우스에서 충돌하는 바람 이론을 검증한다. 하드 X선 방출은 페리아스트론에서 최고에 이르지만 예상되는 1/r 스케일링에서 벗어나며, 이는 복사 억제와 단계에 따라 달라지는 입자 가속이 충격 특성에 영향을 준다는 것을 시사한다. 반면 모델 예측과는 달리 페리아스트론에서 Fe xxv 선 방출은 예상보다 약하게 나타난다.

ABSTRACT

The long-period, highly eccentric O-star binary 9 Sgr, known for its non-thermal radio emission and its relatively bright X-ray emission, went through its periastron in 2013. Such an event can be used to observationally test the predictions of the theory of colliding stellar winds over a broad range of wavelengths. We have conducted a multi-wavelength monitoring campaign of 9 Sgr around the 2013 periastron. In this paper, we focus on X-ray observations and optical spectroscopy. The optical spectra allow us to revisit the orbital solution of 9 Sgr and to refine its orbital period to 9.1 years. The X-ray flux is maximum at periastron over all energy bands, but with clear differences as a function of energy. The largest variations are observed at energies above 2 keV, whilst the spectrum in the soft band (0.5 - 1.0 keV) remains mostly unchanged indicating that it arises far from the collision region, in the inner winds of the individual components. The level of the hard emission at periastron clearly deviates from the 1/r relation expected for an adiabatic wind interaction zone, whilst this relation seems to hold at the other phases covered by our observations. The spectra taken at phase 0.946 reveal a clear Fe xxv line at 6.7 keV, but no such line is detected at periastron (phi = 0.000) although a simple model predicts a strong line that should be easily visible in the data. The peculiarities of the X-ray spectrum of 9 Sgr could reflect the impact of radiative inhibition as well as a phase-dependent efficiency of particle acceleration on the shock properties.

연구 동기 및 목표

• 다양한 파장에서의 관측을 통해 페리아스트론 통과 기간 동안 거대 이중성계에서의 충돌하는 바람 이론의 예측을 검증하기 위해.
• 비열전도적 라디오 방출과 밝은 X선 방출을 보이는 것으로 알려진 9 샤투리우스에서 X선 및 라디오 방출의 기원을 조사하기 위해.
• X선 플럭스 변화가 열역학적 바람 상호작용 영역에 대해 예상되는 1/r 의존성을 따르는지 확인하기 위해.
• 복사 억제와 입자 가속이 충격 특성과 스펙트럼 특징을 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• 고해상도 적외선 분광법을 사용하여 9 Sgr의 궤도 해석을 정밀화하기 위해.

제안 방법

• 2013년 페리아스트론 통과 기간 동안 XMM-Newton를 사용한 X선 분광법과 HERMES 분광계를 사용한 적외선 분광법을 통한 9 Sgr의 다중파장 모니터링.
• 에너지 대역(부드러운: 0.5–1.0 keV, 딱딱한: >2 keV)에서 X선 광도곡선과 스펙트럼 에너지 분포를 분석하여 방출 성분을 분리하기 위해.
• 고해상도 X선 스펙트럼을 사용하여 6.7 keV에서 Fe xxv 방출을 탐지하고 측정하며, 그 위상 의존성을 평가하기 위해.
• 관측된 X선 플럭스 변화를 열역학적 바람 상호작용 영역에 대해 예상되는 이론적 1/r 스케일링과 비교하기 위해.
• 1/r 스케일링에서의 편차를 설명하기 위해 복사 억제와 입자 가속 효과를 포함한 충격 역학 모델링하기 위해.
• 미래의 라디오 광도곡선 데이터(2 cm)와의 교차 검증을 통해 딱딱한 X선과 라디오 플럭스 변화 간의 상관관계를 테스트하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 9 Sgr의 X선 플럭스는 열역학적 바람 상호작용 모델이 예측하는 것처럼 페리아스트론에서 예상되는 1/r 의존성을 따르는가?
• RQ2 강력한 모델 예측에 비해 6.7 keV에서 Fe xxv Kα 선이 페리아스트론에서 부재한 이유는 무엇인가?
• RQ3 복사 억제와 입자 가속이 충돌하는 바람 이중성계에서 충격 특성과 X선 방출에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 부드러운 X선 방출(0.5–1.0 keV)은 궤도 위상에 따라 어떻게 변화하며, 이는 그 기원에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ5 딱딱한 X선 플럭스와 라디오 플럭스 변화 간에 상관관계가 있는가? 이는 입자 가속과 같은 동일한 물리적 원인을 시사하는가?

주요 결과

• 적외선 분광법을 통해 9 Sgr의 궤도 주기가 9.1년으로 정밀화되었으며, 향후 페리아스트론 연구를 위한 보다 정확한 일정표가 제공된다.
• 모든 에너지 대역에서 X선 플럭스가 페리아스트론에서 최대에 이르며, 바람 충돌로 인한 예상되는 증가를 확인한다.
• 딱딱한 X선 방출(2 keV 이상)은 가장 큰 위상 의존성 변화를 보이며, 열역학적 바람 상호작용에 대해 예상되는 1/r 스케일링에서 크게 이격되어 있다.
• 부드러운 X선 방출(0.5–1.0 keV)은 최소한의 위상 의존성을 보이며, 이는 충돌 영역이 아닌 개별 별의 내부 바람에서 기인한다는 것을 시사한다.
• 위상 0.946에서 강력한 Fe xxv 선(6.7 keV)이 탐지되었지만, 페리아스트론(φ = 0.000)에서는 예측과는 달리 부재이다.
• 관측된 1/r 스케일링에서의 편차와 페리아스트론에서 Fe xxv 선의 부재는 복사 억제와 단계에 따라 달라지는 입자 가속이 충격 특성과 X선 방출에 크게 영향을 준다는 것을 시사한다.