[논문 리뷰] Conditions for accretion disc formation and observability of wind-accreting X-ray binaries

Ryosuke Hirai, Ilya Mandel|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 09.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 108인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 밀집 이중성에서의 이방성 선형력 풍속을 모델링하여 풍속 공급 고질량 X선 이중성에서의 응집원판 형성 조건을 조사한다. 이는 기여성 항성의 로치 로브가 80–90% 이상을 메울 경우, 이중성 tidal 힘에 의한 속도 감소가 집중된 응집 흐름을 가능하게 하며, 이는 원판 형성에 필요한 각운동량을 제공하는 데 필수적임을 보여준다. 연구는 이 임계값에서 관측 가능성에 급격한 전이가 일어남을 예측한다.

ABSTRACT

We explore the effect of anisotropic wind driving on the properties of accretion onto black holes in close binaries. We specifically focus on line-driven winds, which are common in high-mass X-ray binaries. In close binary systems, the tidal force from the companion star can modify the wind structure in two different ways. One is the reduction of wind terminal velocity due to the weaker effective surface gravity. The other is the reduction in mass flux due to gravity darkening. We incorporate these effects into the so-called CAK theory in a simple way and investigate the wind flow around the accretor on the orbital scale. We find that a focused accretion stream is naturally formed when the Roche lobe filling factor is $\gtrsim0.8$-0.9, analogous to that of wind Roche lobe overflow, but only when the velocity reduction is taken into account. The formation of a stream is necessary to bring in sufficient angular momentum to form an accretion disc around the black hole. Gravity darkening effects reduce the amount of accreted angular momentum, but not enough to prevent the formation of a disc. Based on these results, we expect there to be a discrete step in the observability of high-mass X-ray binaries depending on whether the donor Roche lobe filling factor is below or above $\sim$0.8-0.9.

연구 동기 및 목표

• 이방성 항성 풍속에 의해 공급되는 고질량 X선 이중성(HMXBs)에서 응집원판 형성 가능성을 결정짓는 물리적 조건을 이해하기 위해.
• 밀접한 이중성에서의 타이드 힘이 선형력 풍속의 구조, 특히 풍속 속도와 질량 유량에 미치는 영향을 조사하기 위해, 효과적 중력과 중력 어두움 감소를 통해.
• 이러한 수정이 집중된 응집 흐름과 그로 인한 원판 형성 가능성을 가능하게 하는지 판단하기 위해.
• 관측 가능한 HMXB에서 원판이 존재하는지 여부를 나누는 데 핵심적인 로치 로브 채움 요인의 임계값을 규명하기 위해.
• 특히 중력파 발생자 시스템의 맥락에서 블랙홀 HMXB의 관측 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 밀접한 이중성에서의 타이드 효과를 포함하기 위해 CAK 선형력 풍속 이론을 수정하여, 효과적 중력과 중력 어두움을 통해 풍속 가속도와 질량 유량을 조정한다.
• 이중성의 동반성의 타이드 장에 의한 속도 감소를 풍속 구조에 통합하기 위해 수정된 힘 배율 방법을 사용한다.
• von Zeipel의 정리에 따라 중력 어두움을 적용하여 표면 중력이 낮은 영역, 특히 적도 부근에서 질량 유량을 감소시킨다.
• 다양한 로치 로브 채움 요인에 대해 압축된 천체에 도달하는 응집률과 각운동량 유량을 계산하기 위해 단순화된 유체역학 모델을 사용한다.
• 이방성 풍속 효과의 영향을 분리하기 위해 표준 Bondi-Hoyle-Lyttleton 모델과 결과를 비교한다.
• 기록된 BH-HMXB의 궤도 매개변수(예: 사이클러스 X-1)를 기반으로 수치 계산을 수행하여 관측 가능한 임계점을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍속 공급 고질량 X선 이중성에서 집중된 응집 흐름 형성에 필요한 최소한의 로치 로브 채움 요인은 얼마인가?
• RQ2 이중성의 동반성으로부터 기인한 타이드 힘이 선형력 풍속의 풍속 속도와 질량 유량 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 속도 감소와 중력 어두움이 블랙홀에 응집되는 각운동량에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 이방성 풍속 효과만으로 사이클러스 X-1와 같은 시스템에서 관측된 응집원판을 설명할 수 있는가?
• RQ5 원판 형성으로 인해 로치 로브 채움 요인에 기반한 HMXB의 관측 가능성에 급격한 전이가 존재하는가?

주요 결과

• 로치 로브 채움 요인이 약 0.8–0.9를 초과할 경우, 타이드 장에서의 속도 감소에 의해 자연스럽게 집중된 응집 흐름이 형성된다.
• 이러한 흐름의 형성은 블랙홀 주위에 원판 형성에 필요한 충분한 각운동량을 공급하는 데 필수적이다.
• 중력 어두움은 응집된 각운동량을 감소시키지만, 채움 요인이 임계값을 초과할 경우 원판 형성은 막히지 않는다.
• 속도 감소와 중력 어두움을 모두 포함할 경우 총 응집 질량은 표준 Bondi-Hoyle-Lyttleton 모델과 유사하다.
• 로치 로브 채움 요인이 약 ~0.8 이하인 시스템에서는 응집원판이 존재할 가능성이 낮으며, 이는 HMXB의 관측 가능성에 이산적인 전이가 존재함을 시사한다.
• 모델은 관측 가능한 시스템에서 후행 응집을 예측하지만, 표준 풍속 공급 모델에서 예상되는 역행 응집과는 정반대이다.