[논문 리뷰] Cyg X-3: can the compact object be a black hole?

E. Ergma, Lev R. Yungelson|arXiv (Cornell University)|1997. 11. 18.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 인구 합성 모델을 사용하여 시리우스 X-3의 밀집 천체가 10 M⊙ 블랙홀일 수 있는지를 조사한다. 초과 에딩턴 비율의 질량 증착이 시스템의 높은 X선 복사원과 제트 활동을 설명할 수 있지만, 바람에 의해 공급되는 질량 증착을 위한 짧은 궤도 주기(<10시간)는 표준 진화 모델 하에서 극히 드문 것으로 나타났다.

ABSTRACT

By means of population synthesis we find that the expected Galactic number of black holes with massive helium star companions is \sim 100 and depends on an assumed threshold for M_{pre-BH}. The overwhelming majority of these systems has orbital periods in excess of 10 hr, with a maximum at \sim 100 hr, while under the Illarionov &amp; Sunyaev (1975) disk formation criteria for accretion from the strong stellar wind of Wolf-Rayet star disk accretion is possible only for orbital periods below \sim 10 hr. However, the number of such short-period systems is vanishingly small. If the accretor in Cyg X-3 is a 10 M_sun black hole, then the accretion rate will be super-Eddington. Super-Eddington accretion may be responsible for the formation of jets in Cyg X-3 and may also support an X-ray luminosity as high as \sim 10^{39} erg/s. From the orbital period distribution for neutron stars with massive helium companions we find that if during the common envelope phase a neutron star accretes at Eddington rate and spins-up to the equilibrium period, then in most systems it acts as a ``propeller'' and accretion from the WR star wind is impossible. For the model with two massive helium stars as an immediate progenitor of Cyg X-3, requirement of accomodation of two WR stars in the post-common-envelope orbit combined with severe mass loss by them prevents formation of BH+WR systems with orbital periods less than several days.

연구 동기 및 목표

• 이중 진화 모델을 바탕으로 시리우스 X-3가 블랙홀을 수반할 가능성 평가.
• 시리우스 X-3에서 관측된 X선 복사원과 제트 활동이 블랙홀에 대한 초과 에딩턴 비율의 질량 증착으로 설명될 수 있는지 확인.
• 짧은 궤도 주기(<10시간)를 가진 블랙홀 + 월프-레이테르 별 이중성의 형성 가능성 평가 (바람에 의한 질량 증착을 위한 조건).
• 공동 껍질 진화와 질량 손실이 거대 이중성계의 궤도 주기 분포에 미치는 영향 조사.
• 중성자별 시스템에서의 '프로펠러 효과'가 바람에 의한 질량 증착을 배제함으로써, 시리우스 X-3의 다른 밀집 천체 후보를 제약하는지 테스트.

제안 방법

• 은하수 블랙홀 + 거대 헬륨 별 이중성의 인구 합성 기법을 사용하여 모의.
• Illarionov & Sunyaev (1975) 기준을 활용하여 짧은 주기 시스템에서 바람 질량 증착이 어떻게 질량 증착 디스크를 형성할 수 있는지 조건 결정.
• 블랙홀 형성 이전 질량 임계값(M_pre-BH)에 따라 궤도 주기가 10시간 이하인 블랙홀 시스템의 기대 수 계산.
• 공동 껍질 단계 동안의 질량 증착 행동을 추론하기 위해 중성자별 + 거대 헬륨 별 이중성의 궤도 주기 분포 분석.
• 시리우스 X-3의 원천으로서의 두 개의 거대 헬륨 별 이중성계의 진화 경로 모의 (질량 손실 및 공동 껍질 이후 제약 포함).
• 중성자별 프로펠러 효과에 대한 에딩턴 한계 질량 증착과 스핀 증가의 영향 평가 (바람에 의한 질량 증착 시스템).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 블랙홀 + 거대 헬륨 별 이중성 중 궤도 주기가 10시간 이하인 시스템은 기대적으로 얼마나 존재하는가?
• RQ2 초과 에딩턴 비율의 질량 증착이 시리우스 X-3에서 관측된 높은 X선 복사원과 제트 활동을 설명할 수 있는가?
• RQ3 필요한 궤도 주기 조건을 만족시키기 위해, 시리우스 X-3의 블랙홀이 월프-레이테르 별의 바람으로부터 질량 증착할 수 있는가?
• RQ4 공동 껍질 단계와 그 후의 질량 손실이 짧은 주기의 블랙홀 + 월프-레이테르 별 이중성의 형성에 얼마나 막는가?
• RQ5 거대 헬륨 별 동반성을 가진 중성자별 시스템에서 중성자별 프로펠러 효과가 바람에 의한 질량 증착을 배제함으로써, 시리우스 X-3의 기원으로서 블랙홀 후보를 더욱 유리하게 만드는가?

주요 결과

• 은하수 블랙홀 + 거대 헬륨 별 이중성의 기대 수는 M_pre-BH 임계값에 따라 약 100개로 추정된다.
• 이 시스템의 대부분은 10시간을 초과하는 궤도 주기를 가지며, 피크는 약 100시간 정도이다.
• Illarionov & Sunyaev 기준에 따라 월프-레이테르 별 바람으로부터 질량 증착 디스크를 형성하기 위해 필요한 짧은 주기(<10시간)를 가진 시스템은 극히 소수에 불과하다.
• 만약 시리우스 X-3의 밀집 천체가 10 M⊙ 블랙홀이라면 질량 증착률은 초과 에딩턴 비율이 되며, 관측된 약 10^39 erg/s의 X선 복사원을 설명할 수 있다.
• 공동 껍질 이후 궤도에 두 개의 월프-레이테르 별을 수용하고 심한 질량 손실가 필요하기 때문에, 궤도 주기가 몇 일 이내인 블랙홀 + 월프-레이테르 별 이중성의 형성은 강하게 불리하다.
• 거대 헬륨 별 동반성을 가진 중성자별 시스템에서, 에딩턴 한계 질량 증착과 스핀 증가는 프로펠러 효과를 유도하여 지속적인 바람 질량 증착을 방지하며, 이는 중성자별 후보를 추가로 불리하게 한다.