[논문 리뷰] Radiography in high mass X-ray binaries -- Micro-structure of the stellar wind through variability of the column density

I. El Mellah, V. Grinberg외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 29.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고질량 X선 이중성에서의 X선 변동성을 이용해 항성 풍의 미세 구조를 탐지하는 방사선 영상 방법을 제안한다. 풍을 반경 방향으로 이동하는 덩어리로 모델링하고 흡수 열두께의 시간적 변동성을 분석함으로써, 저자들은 일관성 시간 스케일이 직접적으로 덩어리 크기를 측정할 수 있으며, 열두께의 표준편차는 덩어리 질량을 제약 조건으로 제공함으로써, 내재된 X선 변동성에 의존하지 않고 편향 없는 질량 손실률 측정이 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In high mass X-ray binaries (HMXBs), an accreting compact object orbits a high mass star which loses mass through a dense and inhomogeneous wind. Using the compact object as an X-ray backlight, the time variability of the absorbing column density in the wind can be exploited in order to shed light on the micro-structure of the wind and obtain unbiased stellar mass loss rates for high mass stars. We explore the impact of clumpiness on the variability of the column density with a simplified wind model. In particular, we focus on the standard deviation of the column density and the characteristic duration of enhanced absorption episodes, and compare them with analytical predictions based on the porosity length. We identified the favorable systems and orbital phases to determine the wind micro-structure. The coherence time scale of the column density is shown to be the self-crossing time of a clump in front of the compact object. We provide a recipe to get accurate measurements of the size and of the mass of the clumps, purely based on the observable time variability of the column density. The coherence time scale grants direct access to the size of the clumps while their mass can be deduced separately from the amplitude of the variability. If it is due to unaccreted passing-by clumps, the high column density variations in some HMXBs requires high mass clumps to reproduce the observed peak-to-peak amplitude and coherence time scales. These clump properties are hardly compatible with the ones derived from first principles. Alternatively, other components could contribute to the variability of the column density: larger orbital scale structures produced by a mechanism still to be identified, or a dense environment in the immediate vicinity of the accretor such as an accretion disk, an outflow or a spherical shell around the magnetosphere of the accreting neutron star.

연구 동기 및 목표

• 고질량 X선 이중성에서 X선 흡수 변동성을 이용해 선형 추진 풍의 미세 구조를 탐지하는 방사선 영상 방법을 개발하기.
• 흡수 열두께의 시간적 변동성이 전통적인 진단 방법에 의존하지 않고도 편향 없는 항성 질량 손실률 측정을 가능하게 하는지 확인하기.
• X선 광도 곡선를 통해 풍 덩어리 성질을 탐지할 수 있는 최적의 궤도 위상과 시스템 파rameter를 식별하기.
• 관측된 X선 열두께 변동성이 선로 상을 통과하는 비흡수된 덩어리에 의해 발생한다는 가설을 검증하기.
• 유도된 덩어리 성질이 복사-유체역학 시뮬레이션과 관측 제약 조건과 얼마나 일치하는지 평가하기.

제안 방법

• 항성 풍을 정의된 질량과 반경을 가진 구형의 반경 방향으로 이동하는 덩어리의 집합으로 모델링하고, 선로 상에 무작위 분포된 것으로 가정한다.
• 포르오시티 길이를 사용해 열두께의 표준편차와 그 일관성 시간 스케일을 덩어리 크기, 질량, 궤도 기하학적 조건의 함수로 분석적으로 예측한다.
• 다양한 궤도 위상, 덩어리 파rameter, 관측 각도에 대해 흡수 열두께 $N_H$의 시간 시리즈를 시뮬레이션하여 분석 예측과 비교한다.
• 관측된 일관성 시간 스케일을 밀도가 높은 덩어리가 연약한 천체의 선로 상을 통과하는 데 걸리는 시간과 연결함으로써 직접적인 덩어리 크기 추정이 가능하다.
• 열두께 $N_H$의 변동성 진폭(표준편차)을 이용해 내재된 X선 변동성에 대한 가정 없이도 개별 덩어리의 질량을 유추한다.
• 중간 수준의 빛의 세기와 중간 궤도 기울기를 가진 시스템에 모델을 적용하며, 최적의 덩어리 가시성을 확보하기 위해 위상 $\phi = 0.25$와 $\phi = 0.5$에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 X선 이중성에서 흡수 열두께의 시간적 변동성이 항성 풍의 미세 구조를 유추하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 $N_H$ 광도 곡선에서 관측된 일관성 시간 스케일의 물리적 기원은 무엇이며, 이를 덩어리 크기와 연결할 수 있는가?
• RQ3 $N_H$ 변동성의 진폭이 개별 덩어리 질량을 어느 정도 제약 조건으로 제공할 수 있는가?
• RQ4 유도된 덩어리 성질(크기와 질량)은 복사-유체역학 시뮬레이션 결과와 일치하는가?
• RQ5 어떤 관측 조건(궤도 위상, 기울기, 노출 시간)이 덩어리에 의해 유도된 $N_H$ 변동성의 탐지 가능성을 최대화하는가?

주요 결과

• 열두께 변동성의 일관성 시간 스케일은 선로 상을 통과하는 단일 덩어리의 자기 교차 시간에 해당하며, 이는 직접적인 덩어리 반경 측정이 가능하다.
• $N_H$의 표준편차는 $\sqrt{m_{cl}}/R_{cl}$에 비례하므로, 덩어리 질량과 반경의 비율에 직접적인 제약 조건을 제공한다.
• 내재된 X선 변동성에 대한 가정 없이도 $N_H$ 변동성의 진폭을 이용해 덩어리 질량을 독립적으로 추정할 수 있다.
• 일관성 시간 스케일에서 유도된 덩어리 크기는 복사-유체역학 시뮬레이션에서 예측한 것보다 몇 배 더 크며, 이는 모순을 시사한다.
• 관측된 피크-피크 $N_H$ 진폭을 생성하는 데 필요한 덩어리 질량은 매우 높으며, 시뮬레이션 결과와는 약간만 일치한다.
• 최상의 연합($\phi = 0.5$)에서의 관측은 항성 대기 표면 위에서 덩어리 형성 영역의 시작을 탐지할 수 있다.