[논문 리뷰] A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: VI. Properties of X-ray bright massive cluster members

J. S. Clark, B. W. Ritchie외 1명|Open Research Online (The Open University)|2019. 02. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 59인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 VLT/FLAMES 다중 에포크 광학 스펙트로스코피 및 X선 자료를 사용하여 청소년기 별단 웨스터룬드 1 내 거대 별에서의 X선 방출을 조사한다. X선 방출은 O9-B0.5 초거대성, 월프-레이테르 성, 그리고 매우 높은 빛의 상호작용/후 상호작용 이중성에 국한되어 있으며, 22개의 천체에서 바람 충돌 영역(WCZ) 방출의 증거를 발견한다. 더 이른 O 거대성에서 X선 방출의 부재는 이중성 안정성 점프 이하의 부족한 바람 속도 때문이며, 이는 전통적인 $L_{\rm X}/L_{\rm bol}$ 관계에 도전한다.

ABSTRACT

Despite the first detection of X-rays from massive stars occurring four decades ago, the physical dependence of the emission mechanism(s) on the underlying stellar and binary properties of the emitters remains uncertain. The young massive cluster Westerlund 1 provides an ideal testbed for understanding this phenomenon, with over 50 cluster members detected in historical X-ray observations. In the decade since these data were obtained, significant new multi-epoch observations of the cluster have been made, allowing a fundamental reappraisal of the nature of both X-ray bright and dark stars. A total of 45 X-ray sources within Wd1 now have precise spectral classifications. These observations identify 16 candidate and confirmed massive binaries; by comparison 22 stars have X-ray properties that imply a contribution from a wind collision zone. X-ray emission appears confined to O9-B0.5 supergiants, Wolf-Rayets and a small group of highly luminous interacting/post-interaction binaries. Despite their presence in large numbers, no emission is seen from earlier, less evolved O stars or later, cooler B super-/hypergiants. We suppose that the lack of X-ray emission from O giants is due to their comparatively low bolometric luminosities if, as expected, they follow the canonical L_X/L_bol relation for hot stars. The transition away from X-ray emission for OB supergiants occurs at the location of the bistability jump; we speculate that below this limit, stellar wind velocities are insufficient for internal, X-ray emitting shocks to form. Our results are consistent with recent findings that massive binaries are not uniformly brighter than single stars of comparable luminosity and spectral type, although it is noteworthy that the brightest and hardest stellar X-ray sources within Wd1 are all either confirmed or candidate massive, interacting/post-interaction binaries (Abridged).

연구 동기 및 목표

• 거대 별에서 X선 방출의 물리적 메커니즘, 특히 이중성과 바람 충돌 영역의 역할을 이해하기 위해.
• 웨스터룬드 1의 업데이트된 다중 에포크 자료를 사용하여 거대 별에서의 $L_{\rm X}/L_{\rm bol}$ 관계를 재평가하기 위해.
• X선으로 뚜렷한 거대 별 군집 구성원, 특히 바람 충돌 영역(WCZ) 방출 가능성이 있는 천체를 특정하고 특성화하기 위해.
• 유사한 빛의 세기나 스펙트럼 유형을 가진 단일 별에 비해 거대 이중성이 체계적으로 더 강한 X선 방출을 보이는지 테스트하기 위해.
• 고에너지 방출 특성을 분석하여 거대 이중성이 은하계 고에너지 입자 생성에 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 웨스터룬드 1 내 45개의 X선 천체에 대해 정밀한 스펙트럼 분류를 얻기 위해 VLT/FLAMES를 사용한 광학 스펙트로스코피를 시행하였다.
• 다중 에포크 관측을 통해 이중성 시스템의 식별 및 특성화가 가능했으며, 라디얼 속도 변화 및 궤도 해를 도출하였다.
• 이전 임무의 X선 자료를 활용하여 광학 대응체와의 교차 식별을 수행하여 X선 빛의 세기와 딱딱함 비율을 결정하였다.
• 스펙트럼 유형과 빛의 세기를 기반으로 $\dot{M}/v_{\rm wind}$와 같은 별풍 매개변수를 유추하여 X선 방출에서의 역할을 평가하였다.
• 이중성 시스템 내 바람 충돌 영역(WCZ)의 형성과 특성을 해석하기 위해 유체역학 모델링을 고려했다.
• 스펙트럼 유형과 X선 탐지의 통계적 분석을 통해 진화 단계에 따른 X선 방출의 추세를 파악하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 거대한 O 거대성은 질량이 크지만 X선을 방출하지 않나, 반면 후속 O-B 초거대성과 월프-레이테르 성은 방출하는가?
• RQ2 거대 이중성에서 X선 방출을 일으키는 바람 충돌 영역(WCZ)을 형성하는 데 필요한 별풍의 물리적 조건은 무엇인가?
• RQ3 B0-2 및 이후 스펙트럼 유형에서 $L_{\rm X}/L_{\rm bol}$ 관계가 어떻게 붕괴되며, 이중성은 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 유사한 빛의 세기나 스펙트럼 유형을 가진 단일 별에 비해 거대 상호작용 이중성은 체계적으로 더 강한 X선 방출을 보이는가?
• RQ5 이중성 안정성 점프가 거대 별 바람에서 X선 방출의 시작을 결정하는 데 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 웨스터룬드 1 내 45개의 X선 천체 중 16개는 확인되거나 후보로 간주되는 거대 이중성으로, X선 방출은 O9-B0.5 초거대성, 월프-레이테르 성, 그리고 매우 높은 빛의 상호작용/후 상호작용 이중성에 국한되어 있다.
• 더 이른 O 별이나 더 낮은 온도의 B 초거대성/초거대성에도 불구하고 그들의 풍부함에도 불구하고 X선 방출이 탐지되지 않아 바람 성질에 물리적 한계가 있음을 시사한다.
• X선 방출의 전이가 바람 이중성 안정성 점프 위치에서 발생하며, 내부 충격을 형성하는 데 필요한 임계치 이하로 바람 속도가 감소하기 때문이다.
• 22개의 별이 바람 충돌 영역(WCZ)에서의 방출과 일치하는 X선 특성을 보이며, 하드닝 색상 $>-0.5$ 이하에서 $>1\sigma$ 수준의 8개의 O 별과 여러 후 상호작용 이중성을 포함한다.
• Wd1에서 가장 밝고 딱딱한 X선 천체들은 모두 거대하고 상호작용하거나 후 상호작용 이중성으로, 이러한 시스템이 딱딱한 X선 방출을 지배하고 있음을 시사한다.
• Wd1-6a, -36, -53a와 같은 밀도 높은 이중성 천체에서 X선 방출 부재는 작은 궤도 간격과 높은 질량 비율로 인한 바람 가속도 부족으로 인해 효과적인 WCZ 형성이 불가능하기 때문이라고 기인한다.