[논문 리뷰] Formation of wind-captured discs in Supergiant X-ray binaries : consequences for Vela X-1 and Cygnus X-1

I. El Mellah, A. A. C. Sander외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 30.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 77인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 초거대 X선 이중성(SgXBs)에서 궤도 역학과 복사 냉각이, 로체 루프 넘김이 없더라도 지속 가능한 디스크 형태의 구조를 바람에 의해 캡처된 물질에서 형성할 수 있음을 제안한다. 중력 및 X선 이온화 효과를 포함한 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해, 바람 속도가 궤도 속도와 유사할 경우 유동이 크게 비대칭이 되고, 순 운동량을 얻으며 냉각에 의해 원형이 되어 안정적인 디스크를 형성함을 보여주며, 이는 벨라 X-1과 사이기누스 X-1에서 관측된 X선 행동을 설명한다.

ABSTRACT

In Supergiant X-ray binaries (SgXB), a compact object captures a fraction of the wind of an O/B supergiant on a close orbit. Proxies exist to evaluate the efficiency of mass and angular momentum accretion but they depend so dramatically on the wind speed that given the current uncertainties, they only set loose constrains. Furthermore, they often bypass the impact of orbital and shock effects on the flow structure. We study the wind dynamics and the angular momentum gained as the flow is accreted. We identify the conditions for the formation of a disc-like structure around the accretor and the observational consequences for SgXB. We use recent results on the wind launching mechanism to compute 3D streamlines, accounting for the gravitational and X-ray ionizing influence of the compact companion on the wind. Once the flow enters the Roche lobe of the accretor, we solve the hydrodynamics equations with cooling. A shocked region forms around the accretor as the flow is beamed. For wind speeds of the order of the orbital speed, the shock is highly asymmetric compared to the axisymmetric bow shock obtained for a purely planar homogeneous flow. With net radiative cooling, the flow always circularizes for wind speeds low enough. Although the donor star does not fill its Roche lobe, the wind can be significantly beamed and bent by the orbital effects. The net angular momentum of the accreted flow is then sufficient to form a persistent disc-like structure. This mechanism could explain the proposed limited outer extension of the accretion disc in Cygnus X-1 and suggests the presence of a disc at the outer rim of the neutron star magnetosphere in Vela X-1, with dramatic consequences on the spinning up of the accretor.

연구 동기 및 목표

• 초거대 X선 이중성(SgXBs)에서 바람 속도가 궤도 속도와 유사할 경우 궤도 운동과 충격 역학이 바람 순환에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 평면적이고 축대칭적인 흐름을 가정하는 고전적 볼드니-후일레-리틀턴 모델의 한계를 해결하기 위해, 운동량 이동과 비대칭성을 고려하지 못하는 점을 다루기 위해.
• 특히 초거대 항성 표면에 가까운 밀도가 높은 밀도의 천체인 벨라 X-1과 사이기누스 X-1와 같은 시스템에서 바람에 의해 캡처된 디스크가 형성되는 조건을 규명하기 위해.
• 복사 냉각이 순환 흐름과 디스크 구조 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 중성자별의 스핀 진화와 SgXBs에서 관측된 X선 변동성에 미치는 이러한 디스크 형성의 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• O/B 초거대 항성에서 유래한 바람 흐름을 모델링하기 위해 3차원 유체역학 시뮬레이션을 사용하였으며, 밀도가 높은 연성체의 중력 및 X선 이온화력도 포함하였다.
• 비방사성 가속과 최종 속도 프로파일을 고려한 원칙 기반 바람 방출 모델을 사용하여 바람의 흐름선을 추적하였다.
• 유동이 수축체의 중력 영향 내부로 진입할 때를 판단하기 위해 자동 일관성 있는 로체 루프 경계를 적용하였다.
• 충격 후 영역에서 복사 냉각을 고려하여 유체역학 방정식을 해결함으로써 원형화와 디스크 형성 정도를 평가하였다.
• 충격 비대칭성을 포함한 축대칭이 아닌, 시간에 따라 변하지 않는 접근 방식을 사용하여 안정된 흐름의 구조를 모델링하였다.
• 바람 속도가 궤도 속도에 비해 변화하는 조건에서 운동량 이동과 순환 기하학을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바람 속도가 궤도 속도와 유사할 경우 SgXBs에서 바람에 의해 캡처된 디스크가 형성되는 조건은 무엇인가?
• RQ2 궤도 효과와 X선 이온화가 고전적 축대칭 볼드니-후일레-리틀턴 모델과 비교해 흐름의 비대칭성과 비대칭 방출을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 복사 냉각이 흐름의 원형화와 안정적인 디스크 형태의 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 흡착된 흐름의 순 운동량이 벨라 X-1와 같은 시스템에서 지속 가능한 디스크 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 디스크의 관측적 결과로 X선 등화도, 흡수 열두께, 중성자별 스핀 진화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 바람 속도가 궤도 속도와 유사할 경우 충격 구조가 크게 비대칭이 되어 고전적 볼드니-후일레-리틀턴 모델의 축대칭 버드 샤프 형태에서 크게 벗어난다.
• 순 복사 냉각이 충분히 낮은 바람 속도에서 흡착된 흐름이 원형이 되도록 보장하여 지속 가능한 디스크 형태의 형성을 가능하게 한다.
• 로체 루프 넘김이 없더라도 궤도 역학과 굽은 궤적에서 얻는 운동량 덕분에 디스크 형성이 가능하며, 특히 벨라 X-1와 같은 시스템에서 두드러진다.
• 벨라 X-1에서는 비효율적인 냉각 조건에서 두꺼운 디스크가 형성되어 특히 일식 기간 동안 관측된 흡수 열두께에 크게 기여할 수 있다.
• 벨라 X-1에서 디스크의 존재는 관측된 X선 변동성을 설명할 수 있으며, 복사압 불안정성에 의해 유도되는 프리세이션 메커니즘과 관련이 있을 수 있다.
• 이 연구는 사이기누스 X-1에서 디스크의 외부 범위가 제한된 것은 전형적인 RLOF 또는 다른 모델이 아닌, 바람에 의해 캡처된 디스크 메커니즘의 결과일 수 있음을 시사한다.