[논문 리뷰] Population synthesis of neutron star X-ray binaries associated with supernova remnants

Zepei Xing, Xiang‐Dong Li|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 20.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 67인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 주로 주계열 항성, Be 항성, 그리고 초거대 항성과 관련된 초신성 잔재물(SNRs)과 연관된 중성자별 X선 이중성(NS XRBs)의 형성과 진화를 이진 인구 합성(BPS)을 통해 모델링한다. BeXRBs가 인구의 대부분을 차지하며, σₖ,CCS = 150 km s⁻¹ 조건에서 연간 탄생률이 약 1.30 × 10⁻⁴ yr⁻¹로 추정된다. 이는 SNRs의 짧은 수명 동안에도 이러한 시스템이 형성될 수 있음을 시사하며, 기존의 약간의 질량 전이 시작 시점에 대한 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Neutron star X-ray binaries (NS XRBs) associated with supernova remnants (SNRs) are the youngest X-ray binaries that can provide insights into the early evolution of X-ray binaries and the formation properties of neutron stars. There are an increasing number of NS XRBs discovered to be harbored in SNRs in our and nearby galaxies. In this work, we perform binary population synthesis calculations to simulate the population of NS XRBs associated with SNRs for different types of companions, including Roche-lobe overfilling main-sequence stars, Be stars and supergiants. We estimate their birthrates and present the distributions of orbital parameters and companion mass for each type of companions. Our calculations show that the majority of them are Be X-ray binaries (BeXRBs) and that a few BeXRBs are expected to be associated with SNRs in a Milky Way-type galaxy.

연구 동기 및 목표

• 초신성 잔재물(SNRs)과 연관된 중성자별 X선 이중성(NS XRBs)의 형성 및 진화 경로를 이해하는 것. 이들은 가장 젊은 X선 이중성들 중 하나이다.
• 은하수형 은하에서 다양한 공여자 유형(주계열 항성, Be 항성, 초거대 항성)을 가진 NS XRBs의 탄생률과 인구 특성을 규명하는 것.
• 최근의 초신성 잔재물 연관 NS XRBs 발견들을 고려할 때, 이러한 시스템의 탐지 가능성과 관측 가능성 평가.
• 중성자별 형성 직후에 질량 전이가 즉각 발생할 수 있는지 검증하여, 전통적인 관점인 질량 전이가 초신성 잔재물 퇄소 이후에만 시작된다는 견해에 도전하는 것.

제안 방법

• 다양한 공여자 항성을 가진 이중성에서 NS XRBs의 형성과 진화를 모델링하기 위해 이진 인구 합성(BPS) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 중성자별이 핵붕괴 초신성(CCSNe)을 통해 형성되고, 동반 항성이 주계열 항성, Be 항성 또는 초거대 항성인 시스템을 추적하였다.
• 중성자별 형성 시 발생하는 탄생 힘(나탈 킥)을 모의하기 위해 킥 속도(σₖ,CCS = 150 및 300 km s⁻¹)를 포함하여 궤도 매개변수에 미치는 영향을 분석하였다.
• vis코스 타임스케일 및 로흐 루프 오버플로 기준을 사용하여 질량 전이의 안정성 평가를 수행하였으며, 안정적 질량 전이와 간헐적 질량 전이 간의 차이를 구분하였다.
• 초신성 폭발 물질의 에너지 침입 모델을 적용하여, 특히 주계열 항성의 경우 동반 항성의 가열 및 팽창 정도를 평가하였다.
• 각 공여자 유형에 대해 탄생률과 궤도 매개변수 분포(주기, 이심률, 공여자 질량)를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수형 은하에서 초신성 잔재물과 연관된 중성자별 X선 이중성의 기대 탄생률은 얼마인가?
• RQ2 주계열 항성, Be 항성, 초거대 항성과 연관된 NS XRBs의 궤도 매개변수와 공여자 질량 분포는 어떻게 다를까?
• RQ3 중성자별 형성 직후에 질량 전이가 즉각 발생할 수 있는가? 이는 초신성 잔재물의 짧은 수명과 일치하는가?
• RQ4 이 시스템의 다수는 안정적 질량 전이 또는 간헐적 질량 전이를 경험하는가? 이는 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 BeXRBs는 다른 유형의 X선 이중성보다 초신성 잔재물과 더 자주 연관되어 있는가? 이는 그들의 형성 경로에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• BeXRBs가 초신성 잔재물 연관 NS XRBs 인구의 대부분을 차지하며, σₖ,CCS = 150 km s⁻¹ 조건에서 연간 탄생률이 약 1.30 × 10⁻⁴ yr⁻¹, σₖ,CCS = 300 km s⁻¹ 조건에서는 4.70 × 10⁻⁵ yr⁻¹로 추정된다.
• 주계열 항성과 연관된 NS-주계열 Roche 루프 오버플로우 XRBs는 낮은 탄생률(σₖ,CCS = 150 km s⁻¹ 조건에서 9.83 × 10⁻⁶ yr⁻¹)을 보이며, 이 중 10% 미만이 간헐적 질량 전이를 경험할 것으로 예상된다.
• 초거대 항성 X선 이중성(SGXBs)은 낮은 탄생률(σ₤킨 = 150 km s⁻¹ 조건에서 3.54 × 10⁻⁶ yr⁻¹)을 보이며, 이는 초기 질량이 유사한 이중성에서 형성되며, 보조 항성이 10⁵ 년 이내에 주계열에서 이탈하는 경우에 해당한다.
• 주계열 공여자와 연관된 대부분의 NS XRBs는 중성자별 형성 직후에 안정적 질량 전이를 경험하며, 대부분의 경우 비스코스 타임스케일이 궤도 주기보다 길다.
• 초신성 폭발 물질에 의한 동반 항성의 가열은 저질량 주계열 항성의 경우 상당한 팽창을 유도하지 못하며, 이는 초신성 잔재물 수명 동안 로흐 루프를 채우지 못하게 한다.
• SXP 1062, SXP 1323, XMMU J050722.1-684758와 같은 젊은 NS XRBs가 초신성 잔재물과 연관되어 있는 것은 BPS 예측과 일치하며, 이는 초신성 잔재물 수명 동안 조기에 질량 전이가 시작될 수 있음을 뒷받침한다.