[논문 리뷰] Expected disk wind properties evolution along an X-ray Binary outburst

Pierre-Olivier Petrucci, S. Bianchi외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 08.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 69인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 2010–2011년 GX 339-4의 활동기 동안 RXTE 데이터를 활용하여 X선 이진성에서의 핫 디스크 풍속의 열적 안정성을 모델링한다. 열적 안정성이 유지될 경우에만 Fe XXV 및 Fe XXVI 이온 풍속 신호가 관측 가능하며, 이는 연속적인 스펙트럼 에너지 분포(SED)에 의해 유도되는 빠른 불안정성으로 인해 딱 연속 상태에서만 관측 가능하다. 결과적으로, 스펙트럼 전이 기간 동안 풍속 밀도 변화가 발생할 수 있으며, 이는 주로 일 단위 스케일에서 디스크 표면의 X선 조사로 인한 가열에 의해 유도된 것으로 보인다.

ABSTRACT

Blueshifted X-ray absorption lines (preferentially from Fe XXV and Fe XXVI present in the 6-8 keV range) indicating the presence of massive hot disk winds in Black Hole (BH) X-ray binaries (XrB) are most generally observed during the soft states. It has been recently suggested that the non-detection of such hot wind signatures in the hard states could be due to the thermal instability of the wind in the ionisation domain consistent with Fe XXV and Fe XXVI. Studying the wind thermal stability requires however a very good knowledge of the spectral shape of the ionizing Spectral Energy Distribution (SED). We discuss in this paper the expected evolution of the disk wind properties during an entire outburst by using the RXTE observations of GX 339-4 during its 2010-2011 outburst. While GX 339-4 never showed signatures of a hot wind in the X-rays, the dataset used is optimal to illustrate our purposes. We compute the corresponding stability curves of the wind using the SED obtained with the Jet-Emitting Disk model. We show that the disk wind can transit from stable to unstable states for Fe XXV and Fe XXVI ions on a day time scale. While the absence of wind absorption features in hard states could be explained by this instability, their presence in soft states seems to require changes of the wind properties (e.g. density) during the spectral transitions between hard and soft states. We propose that these changes could be partly due to the variation of heating power release at the accretion disk surface through irradiation by the central X-ray source. The evolution of the disk wind properties discussed in this paper could be confirmed through the daily monitoring of the spectral transition of a high-inclination BH XrB.

연구 동기 및 목표

• X선 이진성의 연속 상태에서만 관측 가능한 핫 디스크 풍속의 Fe XXV 및 Fe XXVI 흡수선에 대해, 이들이 딱 경계 상태에서는 관측되지 않는 이유를 이해하는 것.
• 특히 Fe XXV 및 Fe XXVI 이온 영역에서 열적 불안정성이 딱 경계 상태에서 풍속 신호를 억제하는 역할을 하는지 조사하는 것.
• 스펙트럼 상태 전이 기간 동안 풍속 밀도 변화가 풍속 신호의 on-off 행동을 설명할 수 있는지 탐색하는 것.
• 상중심 소스에서 오는 X선 조사가 상태 전이 기간 동안 디스크 풍속의 가열 및 안정성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 풍속 특성이 이온화 스펙트럼 에너지 분포(SED) 변화에 따라 빠르게 변화(일 단위 스케일)한다는 가설을 검증하는 것.

제안 방법

• 2010–2011년 GX 339-4의 활동기 동안 RXTE/PCA를 이용해 활동기 진화 전반에 걸쳐 274개의 넓은 밴드 SED를 재구성하였다.
• 디스크 및 제트 성분을 모두 고려하여 디스크 표면에서의 이온화 SED를 유도하기 위해 Jet-Emitting Disk 모델을 적용하였다.
• 풍속 플라즈마의 열적 안정성 곡선을 이온화 파ameter 및 밀도 공간에서 계산하기 위해 CLOUDY 코드를 사용하였다.
• 딱 경계 상태에서 연속 상태로의 전이 및 그 반대 전이 기간 동안 안정성 곡선의 변화를 추적하여 열적 안정성 또는 불안정성 영역을 식별하였다.
• SED의 경화화와 함께 풍속 플라즈마가 Fe XXV 및 Fe XXVI 이온이 존재할 수 없는 불안정한 단계로 이동하는 것과의 상관관계를 분석하였다.
• X선 조사가 디스크 표면을 가열하고, 이로 인해 일 단위 이내의 스케일에서 빠른 풍속 밀도 변화를 유도할 수 있는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 X선 이진성의 연속 상태에서는 핫 디스크 풍속을 나타내는 Fe XXV 및 Fe XXVI 흡수선이 관측되지만, 딱 경계 상태에서는 관측되지 않는가?
• RQ2 X선 이진성의 활동기 동안 스펙트럼 상태 전이 기간 동안 풍속 플라즈마의 열적 안정성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 상태 전이 기간 동안 풍속 밀도가 급격히 변화할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇이며, 이는 풍속 신호의 on-off 행동을 설명하는 데 충분한가?
• RQ4 딱 경계 상태에서 풍속 신호가 관측되지 않는 현상은 Fe XXV 및 Fe XXVI 이온 영역에서의 열적 불안정성 때문일 수 있는가?
• RQ5 중앙 소스에서 오는 X선 조사가 일 단위 이내의 스케일에서 풍속 특성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• GX 339-4의 모든 딱 경계 상태 관측치는 Fe XXV 및 Fe XXVI 이온 영역에서 열적 불안정성을 특징으로 하며, 이는 풍속 신호가 관측되지 않는 이유를 설명한다.
• 반대로, 모든 연속 상태 관측치는 동일한 이온화 영역에서 열적 안정성을 보이며, 이는 Fe XXV 및 Fe XXVI 흡수선의 존재 및 관측 가능성을 가능하게 한다.
• 이온화 SED의 변화에 의해 유도되는 열적 안정성 또는 불안정성 상태의 전이가 일 단위 스케일에서 발생하며, 이는 주로 스펙트럼 상태 전이 기간 동안 관찰된다.
• 딱 경계 상태에서는 관측되지 않지만 연속 상태에서는 핫 풍속이 관측되는 것은 하드-서프트 전이 기간 동안 풍속 밀도가 급격히 증가했음을 시사하며, 이는 주로 디스크 표면에서의 증가된 X선 조사로 인한 가열에 기인할 가능성이 높다.
• 연속 상태에서 딱 경계 상태로의 전이 기간 동안 X선 스펙트럼의 경화화로 인해 풍속이 불안정한 열적 상태로 이동하며, 이로 인해 Fe XXV 및 Fe XXVI 이온이 존재할 수 없게 되어, 이는 딱 경계 상태에서의 비관측 원인을 설명한다.
• 결과적으로, 디스크 풍속은 지속적으로 발생하지만, 열적 안정성 상태일 때에만 관측 가능하며, SED에 의한 안정성 전이가 관측 가능성의 주요 조절 요소임을 지지한다.