[논문 리뷰] Fundamental properties of High-Mass X-ray Binaries

A. Gónzalez-Galán|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 26.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 9

한 줄 요약

이 박사학위 논문은 세 개의 초거대 빠른 X선 전이체(SFXTs)와 한 개의 중간 상태 소스를 포함한 네 개의 고질량 X선 이중성 시스템을 연구하여 그들의 X선 변동성의 물리적 기원을 탐구한다. 궤도 해법, Halpha 풍속 변화, 항성 대기 및 X선 복사의 궤도 모odulation을 분석함으로써, 연구는 궤도 이심률이 아니라 풍속 과정과 항성 조성의 차이가 X선 행동을 이끄는 것으로 밝혀내며, 이는 고립된 하위군이 아닌 연속적인 특성 분포를 지지한다.

ABSTRACT

The aim of this PhD Thesis is to characterize a representative sample of Supergiant X-ray Binaries (SGXBs) formed by 4 sources: XTE J1855-026, a classical SGXB with long-term stable X-ray flux; AX J1841.0-0535 and AX J1845.0-0433, two supergiant fast X-ray transients (SFXTs) with the X-ray emission mostly dominated by flaring; and IGR J00370+6122, something in between these 2 sub-groups. The physical processes that produce these observable differences are still a matter of debate. In this PhD Thesis I performed a study of these 4 different systems to provide new data to constrain the models. This study consists of:(i) the determination of the orbital solution,(ii) a systematic study of the wind behavior along the orbit by the measure of Halpha variations,(iii) a model of stellar atmospheres of the donor star,(iv) establish whether there are X-ray flux variations modulated by the orbital period. The study of the wind shows that Halpha variations are dominated by intrinsic wind processes. The stellar atmospheres study shows that the supergiant stars that harbor these binaries have a higher projected rotational velocity, higher He abundance and higher N/C ratio than that of isolated supergiant stars. The results of this study show that the eccentricity of the binary does not have a simple correlation with the differences in the X-ray flux of the different sub-groups. Therefore, the idea of a more complex scenario is consolidated. The discovery of a new type of system, IGR J00370+6122, which properties do not fit in any of the established sub-groups, reinforces the idea of a continuum in the observed properties more than a strict classification of systems. Furthermore, I have developed a pipeline to reduce spectra of the FRODOSpec spectrograph at the Liverpool Telescope optimized for the reduction of the red spectra of the obscured supergiants that we find in these SGXBs.

연구 동기 및 목표

• 네 개의 고질량 X선 이중성의 궤도 및 풍속 특성을 규명하고, 전통적인 SGXB와 SFXT를 포함한다.
• X선 복사 강도 변화가 궤도 주기와 관련이 있는지 확인하여, 질량 붕괴 변동성 모델을 시험한다.
• 공급자 초거대 항성의 물리적 특성, 특히 표면 조성과 회전 특성을 조사한다.
• 궤도 이심률이 X선 복사 강도 행동과 상관관계가 있는지 평가하여 기존의 분류 체계에 도전한다.
• SGXB 시스템 내 은폐된 초거대 항성의 적색 스펙트럼을 위한 전용 데이터 처리 파이프라인을 개발한다.

제안 방법

• 스펙트로스코픽 데이터로부터의 도플러 속도 측정을 이용한 궤도 해법 결정.
• 궤도 주기 전반에 걸쳐 Halpha 선 변화를 체계적으로 모니터링하여 풍속 행동과 질량 손실를 추적한다.
• 공급자 항성의 항성 대기 모델링을 통해 투영 회전 속도, 헬륨 농도 및 질소 대 탄소 비율을 유도한다.
• X선 광도 곡선 분석을 통해 궤도 모odulation을 탐지하고 복사 강도 변화 패tern을 평가한다.
• 은폐된 초거대 항성의 FRODOSpec 스펙트로스코프 데이터 처리 파이프라인을 개발하여 적색 스펙트럼에 최적화한다.
• SFXT 및 전통적인 SGXB 하위군 간의 시스템을 비교 분석하여 추세와 이상치를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연구된 네 개의 고질량 X선 이중성의 궤도 해법과 궤도 주기는 무엇인가?
• RQ2 궤도 전반의 Halpha 선 변화는 외부 질량 붕괴 유도 효과가 아니라 내재된 풍속 과정을 어떻게 반영하는가?
• RQ3 공급자 초거대 항성의 표면 조성과 회전 특성은 무엇이며, 고립된 초거대 항성과 어떻게 다를까?
• RQ4 하위군 전반에 걸쳐 궤도 이심도와 X선 복사 강도 변화 간에 측정 가능한 상관관계가 있는가?
• RQ5 중간 상태 시스템 IGR J00370+6122는 별개의 클래스를 대표하는가, 아니면 특성의 연속적인 분포의 일부인가?

주요 결과

• Halpha 변화는 외부 질량 붕괴 유도 효과보다 내재된 풍속 과정에 의해 주로 이끌린다.
• 이 시스템의 공급자 항성은 고립된 초거대 항성과 비교해 더 높은 투영 회전 속도, 높은 헬륨 농도 및 증가된 질소 대 탄소 비율을 보인다.
• 궤도 이심도는 X선 복사 강도 행동과 단순한 상관관계를 보이지 않으며, 더 복잡한 물리적 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 기존의 SFXT나 전통적인 SGXB 카테고리에 속하지 않는 IGR J00370+6122의 발견은 하위군 간의 고립된 분류가 아니라 특성의 연속적인 분포를 지지한다.
• SGXB 시스템 내 은폐된 초거대 항성의 FRODOSpec 적색 스펙트럼을 위한 최적화된 새로운 데이터 처리 파이프라인을 성공적으로 개발하였다.
• 이 연구는 고질량 X선 이중성에서 질량 붕괴 변동성이 궤도 기하학적 특성만이 아니라 풍속 역학과 항성 특성의 조합에 의해 지배됨을 강화한다.