[논문 리뷰] Simultaneous X-ray and optical spectroscopy of V404 Cygni supports the multi-phase nature of X-ray binary accretion disc winds

T. Muñoz‐Darias, G. Ponti|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 27.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 66인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 블랙홀 V404 Cygni의 2015년 활성화 사건 동안 동시에 촬영한 X선 및 가시광선 스펙트로스코피를 제시하며, 양 파장대에서 운동학적으로 일관된 P-Cyg 프로파일을 규명하였다. 연구 결과는 활성화 기간 전반에 걸쳐 역학적이고 다상태인 원반 바람이 존재하며, 바람의 성질이 빛의 세기에 따라 체계적으로 변화함을 시사하여, X선 이진성에서 이러한 바람이 주로 다상태임을 뒷받iesen다.

ABSTRACT

Observational signatures of accretion disc winds have been found in a significant number of low-mass X-ray binaries at either X-ray or optical wavelengths. The 2015 outburst of the black hole transient V404 Cygni provided a unique opportunity for studying both types of outflows in the same system. We used contemporaneous X-ray (Chandra Observatory) and optical (Gran Telescopio Canarias, GTC) spectroscopy, in addition to hard X-ray light curves (INTEGRAL). We show that the kinetic properties of the wind, as derived from P-Cyg profiles detected in the optical range at low hard X-ray fluxes and in a number of X-ray transitions during luminous flares, are remarkably similar. Furthermore, strictly simultaneous data taken at intermediate hard X-ray fluxes show consistent emission line properties between the optical and the X-ray emission lines, which most likely arise in the same accretion disc wind. We discuss several scenarios to explain the properties of the wind, favouring the presence of a dynamic, multi-phase outflow during the entire outburst of the system. This study, together with the growing number of wind detections with fairly similar characteristic velocities at different wavelengths, suggest that wind-type X-ray binary outflows might be predominantly multi-phase in nature.

연구 동기 및 목표

• 동시 X선 및 가시광선 스펙트로스코픽 신호를 분석하여 X선 이진성의 원반 바람 성질을 규명하고자 한다.
• X선 및 가시광선 바람 특징이 동일한 물리적 외부 흐름에서 유래하는지 확인하고자 한다.
• 관측된 바람 성질이 단일 다상태 바람인지, 또는 별개의 뜨거운 및 차가운 외부 흐름인지 일관된지 평가하고자 한다.
• 2015년 V404 Cygni의 활성화 기간 동안 빛의 세기에 따른 바람 운동학 및 이온화 구조의 변화를 탐구하고자 한다.

제안 방법

• 2015년 V404 Cygni의 활성화 기간 동안 동시에 촬영한 X선(Chandra ACIS-S 격자 스펙트럼) 및 가시광선(GTC/OSIRIS) 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 스펙트럼의 변동성을 해석하기 위해 Chandra 스펙트럼을 3.2 ks 간격으로 분석하였으며, 주로 발광선 및 P-Cyg 프로파일에 초점을 맞추었다.
• He i 5876 Å 및 Hα 선의 가시광선 프로파일을 X선 이행선과 비교하여, 속도 이동 및 프로파일 형상에 기반해 동시에 발생한 기원을 추론하였다.
• 경직된 X선 빛의 세기 변화(INTEGRAL)를 사용하여 바람 성질이 다양한 상태에서 빛의 세기에 어떻게 연관되어 있는지 분석하였다.
• X선 및 가시광선 선 간의 이온화 및 운동학적 차이를 설명하기 위해 다상태, 덩어리로 이루어진 외부 흐름으로 바람을 모델링하였다.
• 빛의 세기 및 이온화 제약 조건에 기반해 경쟁적인 바람 구동 메커니즘(복사압, 열, 선형 구동)을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 V404 Cygni의 원반 바람 스펙트로스코픽 신호가 X선 및 가시광선에서 동일한 물리적 외부 흐름에서 유래하는가?
• RQ2 동시 관측 중 X선 및 가시광선 파장에서 바람의 운동학적 성질(예: 정방향 속도, 파랑 끝 속도)이 일관되는가?
• RQ3 2015년 활성화 기간 동안 빛의 세기에 따라 바람 성질(속도, 이온화, 구조)은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관측된 이온화 및 속도의 차이를 고려할 때, 바람의 물리적 성질은 단일상태인지 다상태인지인가?
• RQ5 관측된 다파장 바람 신호와 가장 부합하는 바람 구동 메커니즘(예: 복사압, 열, 선형 구동)은 무엇인가?

주요 결과

• 낮은 경직된 X선 복사 세기에서의 가시광선 P-Cyg 프로파일은 파랑 끝 속도 약 ~1500–3000 km s⁻¹로, 빛의 세기가 높은 플레어 기간 동안 X선 발광선과 운동학적으로 유사하다.
• 중간 복사 세기 수준에서 엄밀히 동시인 X선 및 가시광선 데이터는 동일한 프로파일 형상을 가진 파장 이동된 발광선을 보이며, 동일한 바람 구조에서 기인했음을 시사한다.
• 바람 속도는 활성화 기간 첫 2일 동안 약 ~1500 km s⁻¹에서 후속 기간에 약 ~3000 km s⁻¹로 증가하며, 빛의 세기에 따라 상승 추세를 보인다.
• 바람은 역학적이고 다상태이며 덩어리로 이루어진 외부 흐름으로 가장 잘 설명되며, 더 차가운 밀도 높은 덩어리가 가시광선 P-Cyg 프로파일을 생성하고, 더 뜨거운 이온화된 기체가 X선 이행선에 기여한다.
• 여러 시스템에서 X선, 가시광선, 근적외선 대역에서 특징적인 속도가 유사함을 고려할 때, 다상태 바람이 X선 이진성에서 일반적인 현상일 가능성이 높다.
• 빛의 세기에 따른 행동 및 이온화 제약 조건을 고려할 때, 바람은 복사압과 열 바람이 병행하여 작용할 가능성이 높다.