[논문 리뷰] Settling accretion onto slowly rotating X-ray pulsars

N. I. Shakura, К. А. Постнов외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 03.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 53인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 느리게 회전하는 X선 펄서에 대한 준구형 초음속 불안정한 순환 유동에 대해 이론적 모델을 제안한다. 여기서 각운동량은 준정적 켄버 케이지 내의 대규모 난류 대류 운동을 통해 전달되며, 이로 인해 $ω \sim 1/R^2$의 회전 법칙이 유도된다. 이 모델은 자전 증가/감소 행동과 광도 변동을 설명하며, 관측된 자전 및 광도 변화로부터 중성자별 자기장과 바람 속도를 추정할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Quasi-spherical subsonic accretion onto slowly rotating magnetized NS is considered, when the accreting matter settles down subsonically onto the rotating magnetosphere, forming an extended quasi-static shell. The shell mediates the angular momentum transfer to/from the rotating NS magnetosphere by large-scale convective motions, which lead to an almost iso-angular-momentum rotation law inside the shell. The accretion rate through the shell is determined by the ability of the plasma to enter the magnetosphere due to Rayleigh-Taylor instability while taking cooling into account. The settling regime of accretion is possible for moderate X-ray luminosities L <4 10^36 erg/s. At higher luminosities a free-fall gap above the NS magnetosphere appears due to rapid Compton cooling, and accretion becomes highly non-stationary. From observations of spin-up/spin-down rates of wind accreting equilibrium XPSRs with known orbital periods (GX 301-2, Vela X-1), the main dimensionless parameters of the model and be determined and the NS magnetic field can be estimated. For equilibrium pulsars with independent measurements of the magnetic field the velocity of the stellar wind can be estimated without the use of complicated spectroscopic measurements. For non-equilibrium pulsars, a maximum possible value of the spin-down rate of the accreting neutron star exists. From observations of the spin-down rate and the X-ray luminosity in such pulsars (e. g. GX 1+4, SXP 1062 and 4U 2206+54) a lower limit on the neutron star magnetic field is obtained, which in all cases turns out to be close to the standard 10^12-10^13 G value, in agreement with cyclotron line measurements. The model explains both the spin-up/spin-down of the pulsar frequency on large time-scales and the irregular short-term frequency fluctuations, which may correlate or anti-correlate with the X-ray luminosity fluctuations.

연구 동기 및 목표

• 느리게 회전하는 자기장이 있는 중성자별에 대한 준구형 초음속 순환 유동에 대한 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 관측된 자전 증가/감소 행동과 X선 펄서에서의 비정상적인 주파수 변동을 설명하는 것.
• 스펙트로스코픽 측정에 의존하지 않고도 중성자별 자기장과 동반 성간 바람 속도를 추정하는 것.
• 컴프턴 냉각으로 인해 침강 순환 유동이 자유낙하 순환 유동으로 전이되는 조건을 규명하는 것.
• 고질량 X선 이중성계에서 장기적인 자전 경향과 단기적 변동을 해석하는 물리적 기반을 제공하는 것.

제안 방법

• 중성자별 자기장 구름 주위의 준정적, 초음속 켄버 케이지로 순환 유동을 모델링하며, 각운동량 전달은 대규모 난류 대류 운동에 의해 매개된다.
• 에너지 및 동량 균형에서 유도된, 난류 가열과 컴프턴 냉각을 포함한 축방향 유동의 운동 방정식을 사용한다.
• 난류 가열률은 $ (dQ/dt)^+_{t} = \frac{c_s^3}{2\alpha_t R} m_t^3 $로 표현되며, 여기서 $ m_t $는 난류 마하 수이다.
• 냉각은 $ (dQ/dt)^{-}_C = -\frac{c_V(T - T_x)}{t_C} $로 계산되며, 냉각 시간은 $ t_C $이다.
• 난류 및 냉각 효과를 포함한 수정된 베르누이 유사 방정식을 사용하여 임계점 속도 $ |u_r| $를 구한다.
• 침강 유동(서브소닉)인지 자유낙하 갭(서브소닉)인지 결정하기 위해 차원 없는 속도 비율 $ f(u) = |u_r|/u_{ff} $를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 느리게 회전하는 X선 펄서에 대한 준구형 순환 유동에서 각운동량 전달을 매개하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 컴프턴 냉각으로 인해 침강 순환 유동이 자유낙하 순환 유동으로 전이되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 관측된 자전 증가/감소 속도와 X선 광도를 사용하여 중성자별 자기장과 동반 성간 바람 속도를 추정할 수 있는가?
• RQ4 난류 운동과 냉각은 순환 유동의 임계점 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 주파수 변동과 X선 광도 변화의 관측된 상관 또는 반비례 관계는 무엇으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 침강 순환 유동이 발생하기 위해 질량 유량은 $ \dot{M} \lesssim 4 \times 10^{16} $ g/s 이하로 제한되며, 이를 초과하면 급속한 컴프턴 냉각으로 인해 자유낙하 갭이 형성된다.
• GX 301-2와 Vela X-1과 같은 평형 펄서의 경우, 관측된 자전 증가/감소 속도를 통해 스펙트로스코피 없이도 중성자별 자기장과 동반 성간 바람 속도를 추정할 수 있다.
• GX 1+4, SXP 1062, 4U 2206+54와 같은 비평형 펄서의 경우, 모델은 최대 가능한 자전 감소 속도를 예측하며, 이는 사이클로트론 선 측정과 일치하는 자기장 하한을 제공한다.
• 이 모델은 장기적인 자전 경향과 단기적인 주파수 변동을 모두 설명할 수 있으며, 이는 X선 광도 변화와 상관 또는 반비례할 수 있다.
• 난류와 냉각으로 인해 임계점 위치는 상향 이동한다. $ t_{ff}/t_C \approx 0.46 $일 경우, 축방향 속도는 자유낙하 속도의 $ f(u) \approx 0.5-0.6 $ 배에 도달한다.
• 등방성 난류의 경우 ($ m_t = 1 $), $ A \approx 1.23 $이며, 비등방성 난류의 경우 ($ m_{\parallel}=1 $), $ A \approx 0.8 $로, 이는 임계점 속도에 영향을 미친다.