[논문 리뷰] Gamma-ray binaries: microquasars and binary systems with pulsar

J. M. Paredes|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 25.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 마이크로쿼사르인 시리우스 X-1과 시리우스 X-3, 펄서 구동 시스템인 PSR B1259−63를 포함한 고에너지 감마선 이차원계를 검토한다. 또한 LS I +61 303과 LS 5039와 같은 애매한 시스템도 포함한다. 이는 고질량 O/B 항성들이 광자 및 타깃으로서의 역할을 하며, 궤도 단계에 따라 변동적이고 주기적인 VHE 및 HE 감마선 방출을 보여주는 관측 증거를 제시한다. 이는 축적 구동 및 펄서 풍 구동 메커니즘 간의 비교를 포함한다.

ABSTRACT

Several binary systems have been detected at High Energy (HE, E > 100 MeV) and/or Very High Energy (VHE, E > 100 GeV) gamma rays. Some of them are X-ray binaries in which accretion feeds relativistic radio jets and powers the non-thermal emission (i.e., microquasars), whereas in others the power comes from the wind of a young pulsar instead of accretion. Although the power mechanism in these systems is different (accretion vs pulsar wind), all of them are radio, X-ray and gamma-ray emitters, and have a high-mass bright companion (O or B) star that is a source of seed photons for IC scattering and target nuclei for hadronic interactions. I review here some of the main observational results on the non-thermal emission from X-ray binaries as well as some of the proposed scenarios to explain the production of gamma rays.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 감마선 이차원계에서 비열적 방출에 대한 관측 결과를 종합하는 것.
• 고질량 O/B 항성이 역산성 콜로이드 산란 및 핵반응에 대한 타깃 핵을 제공하는 데서의 역할을 조사하는 것.
• 이차원계에서 축적 구동 및 펄서 풍 구동 감마선 방출 메커니즘 간의 차이를 평가하는 것.
• 질량 측정의 모호성과 궤도 기울기로 인해 LS I +61 303 및 LS 5039와 같은 시스템에서 밀도 물체의 분류에 대한 현재의 불확실성을 평가하는 것.
• Fermi, AGILE, MAGIC, H.E.S.S., VLBI 등에서의 다파장 관측을 요약하여 방출 모델과 소스 기하학을 제약 조건화하는 것.

제안 방법

• 궤도 주기 동안 X선, 전파, 감마선 천체망원경(Fermi, AGILE, MAGIC, H.E.S.S., INTEGRAL, VLA, VLBA, LBA)의 다파장 데이터 분석.
• 서브 밀리초각 해상도에서의 VLBI 및 장기간섭계를 이용한 전파 구조 영상화로, PSR B1259−63 및 LS 5039에서 변동적이고 확장된 방출 특징을 규명.
• 빛의 곡선과 스펙트럼 에너지 분포를 설명하기 위해 렙톤성(동기복사/역산성 콜로이드 산란) 및 핵반응(pp 상호작용) 시나리오에 기반한 감마선 방출 모델링.
• 이차원 환경 내 쌍생성에 의한 테바 광택도를 평가하여 감마선 방출 위치를 제약 조건화.
• 감마선 조절의 궤도 단계별 분석을 통해 주기성과 X선 및 전파 상태와의 상관관계를 규명.
• 자기장 강도 및 입자 가속 효율성에 대한 다양한 가정 하에 방출 모델을 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감마선 이차원계에서 고에너지 감마선 방출을 구동하는 메커니즘은 축적인가, 펄서 풍인가?
• RQ2 고질량 O/B 항성이 역산성 콜로이드 산란 및 핵반응에 의해 고에너지 광자를 생산하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 저질량 X선 이차원계는 고에너지 감마선에서 검출되지 않는 반면, 고질량 시스템은 검출되는 이유는 무엇인가?
• RQ4 LS I +61 303 및 LS 5039의 밀도 물체의 성격은 무엇이며, 이는 그들의 감마선 방출 해석에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 변동성 및 궤도 조절 VHE 및 HE 방출은 현재의 렙톤성 또는 핵반응 방출 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 시리우스 X-1은 딱딱한 X선 플레어 기간 동안 4.1σ의 테바 방출 검출을 보였으며, 페어 생성 광택도를 피하기 위해 감마선 방출체는 이진계의 가장자리에 위치해 있을 가능성이 높다.
• 시리우스 X-3는 100 MeV 이상의 감마선에서 명확한 궤도 조절을 보였으며, 고에너지 감마선에서 처음으로 명백하게 검출된 마이크로쿼사르이다.
• AGILE는 시리우스 X-1과 PSR B1259−63에서 일시적인 감마선 방출(100 MeV 이상)을 검출했으며, 딱딱한 X선 상태 및 궤도 단계와 상관관계를 보였다.
• PSR B1259−63의 VLBI 관측은 다양한 궤도 단계에서 펄서에서 이격된 변동적이고 확장된 전파 방출을 규명했으며, 상대론적 유출에서 기인한 비열적 방출을 시사한다.
• LS I +61 303은 26.496일마다 반복되는 전파 폭발과 진동하는 제트 유사한 구조를 보였으며, 이는 펄서 풍이 항성 바람과 상호작용함을 일관되게 시사한다.
• LS 5039는 지속적인 비열적 전파 방출과 이중극 전파 구조를 보였으며, 5일 간격으로 형태 변화를 보였으며, 이는 상대론적 제트 역학을 시사한다.