[논문 리뷰] Coupling hydrodynamics with comoving frame radiative transfer: II. Stellar wind stratification in the high-mass X-ray binary Vela X-1

A. A. C. Sander, Felix Fürst외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 09.

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한 줄 요약

이 연구는 고질량 X선 이중성 Vela X-1의 B-초거성 공급자에 대한 처음으로 유체역학적으로 일관된 비- LTE 별대기층 모델을 제시하며, 복사 유체역학과 공동기준 프레임 내 복사 전달을 결합한다. 이 모델은 중성자별 위치에서 낮은 바람 속도(~100 km s⁻¹)를 밝혀내며, 이는 표준 β-법 모델이 예측하는 것보다 현저히 낮다. 반면, 중성자별에서 오는 X선 조명은 바깥쪽 바람 가속도를 최대 10%까지 증가시키지만, 고조도 수준에서는 붕괴를 일으킨다.

ABSTRACT

CONTEXT: Vela X-1, a prototypical high mass X-ray binary (HMXB), hosts a neutron star (NS) in a close orbit around an early-B supergiant donor star. Accretion of the donor star's wind onto the NS powers its strong X-ray luminosity. To understand the physics of HMXBs, detailed knowledge about the donor star winds is required. AIMS: To gain a realistic picture of the donor star in Vela X-1, we constructed a hydrodynamically consistent atmosphere model describing the wind stratification while properly reproducing the observed donor spectrum. To investigate how X-ray illumination affects the stellar wind, we calculated additional models for different X-ray luminosity regimes. METHODS: We use the recently updated version of the PoWR code to consistently solve the hydrodynamic equation together with the statistical equations and the radiative transfer. RESULTS: The wind flow in Vela X-1 is driven by ions from various elements with Fe III and S III leading in the outer wind. The model-predicted mass-loss rate is in line with earlier empirical studies. The mass-loss rate is almost unaffected by the presence of the accreting NS in the wind. The terminal wind velocity is confirmed at $v_\infty \approx 600$ km/s. On the other hand, the wind velocity in the inner region where the NS is located is only $\approx 100$ km/s, which is not expected on the basis of a standard $β$-velocity law. In models with an enhanced level of X-rays, the velocity field in the outer wind can be altered. If the X-ray flux is too high, the acceleration breaks down because the ionization increases. CONCLUSIONS: Accounting for radiation hydrodynamics, our Vela X-1 donor atmosphere model reveals a low wind speed at the NS location, and it provides quantitative information on wind driving in this important HMXB.

연구 동기 및 목표

• Vela X-1의 B-초거성 공급자 HD 77581에 대해 관측된 스펙트럼을 재현할 수 있는 유체역학적으로 일관된 비- LTE 별대기층 모델을 구축하는 것.
• 적축 중성자별에서 오는 X선 조명이 공급성의 대기에서 바람 구조, 이온화 구조, 가속도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 특히 중성자별 궤도 거리에서의 바람 속도 프로파일을 규명하고, 표준 β-법 모델의 예측과 비교하는 것.
• 특히 바깥쪽 바람 영역에서 X선 조명이 질량 손실률과 바람 가속도에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 실제 X선 및 별 조건 하에서 초기 B-초거성 바람에서 복사 가속을 주도하는 주요 이온 종을 규명하는 것.

제안 방법

• 유체역학 방정식, 통계적 평형 방정식, 그리고 공동기준 기준 내 복사 전달을 동시에 해결하기 위해 업데이트된 PoWR 코드를 사용하였다.
• Fe iii, S iii, Si iii, C iii 등을 포함한 10개 이상의 원소에 대해 비- LTE 처리를 적용하여 복사 가속을 정확히 모델링하였다.
• 물리적으로 타당한 단순화된 X선 복사율 모델을 사용하여 중성자별에서 오는 X선 조명을 통합하였으며, 복사율을 변화시켜 그 영향을 연구하였다.
• empirical 질량 손실률에 맞추고 바람의 비균일성을 반영하기 위해 깊이에 따라 변화하는 미세클러스터링(D∞ = 11)을 적용하였다.
• 1차원 정적인 모델을 사용하여 구형 대칭 조건에서 바람 구조를 해결하였으며, 이론적 연구에서 이전에 얻어진 경험적 파rameter에 기반한 경계 조건을 설정하였다.
• 관측된 스펙트럼 에너지 분포와 최종 속도를 기반으로 결과를 검증하여 경험적 제약 조건과의 일관성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유체역학이 복사 전달과 일관되게 결합된 조건에서, Vela X-1의 공급성 별 바람의 진정된 속도 구조는 어떻게 되는가? 특히 중성자별의 위치에서의 속도는 어떻게 되는가?
• RQ2 적축 중성자별에서 오는 X선 조명은 공급성 바람의 이온화 균형과 복사 가속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 X선 조명은 공급성 별 바람의 질량 손실률과 최종 속도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 Vela X-1의 초기 B-초거성 바람에서 복사 가속을 주도하는 주요 이온 종은 무엇인가?
• RQ5 강한 X선 조명 조건에서 바람 가속도의 붕괴는 중성자별 궤도 근처에서 발생하는가, 아니면 더 멀리 떨어진 곳에서 발생하는가?

주요 결과

• 중성자별 위치(d_ns ≈ 1.8 R*)에서의 바람 속도는 약 ~100 km s⁻¹로, 표준 β-법 모델이 예측하는 것보다 현저히 낮다.
• 최종 바람 속도는 v∞ ≈ 600 km s⁻¹로 확인되었으며, 이는 이전의 경험적 연구와 이론적 기대와 일치한다.
• X선 조명은 비조명 조건 대비 바깥쪽 바람 가속도를 약 10% 증가시키며, 이는 이온화도 증가와 추가적인 복사 가속의 결과이다.
• 매우 높은 X선 복사율 수준에서는 바람 가속도가 바깥쪽 바람 영역(r ≳ 3 R*)에서 붕괴되며, 중성자별 근처가 아니라 더 멀리 떨어진 곳에서 발생한다. 이는 과도한 이온화 때문이며.
• 주요 복사 가속 기여자는 Fe iii(~15% 기여도)와 S iii(바깥쪽 바람 영역에서 Fe iii와 유사한 기여도)이며, Si iii와 C iii는 각각 약 10%의 기여도를 기여한다.
• 질량 손실률은 X선 조명에 대해 강건하며, 중성자별 쪽으로 최대 0.1 dex 증가할 뿐이며, 이는 경험적 추정치 log ḊM ≈ -6.2와 일치한다.