[논문 리뷰] Super-Keplerian Equatorial Outflows in SS 433. Centrifugal Ejection of the Circumbinary Disk

Idel Waisberg, Jason Dexter외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 30.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

VLTI/GRAVITY 간섭계를 사용하여 이 연구는 SS 433의 근적외선 Brγ 선을 해상도를 높여 분석하였으며, 초-케플러 운동을 하는 등속도의 등위선 방출을 규명하였고, 이는 순환 이중성계의 원반에서 이완된 중심력에 의한 방출로 해석된다. 이 방출은 제트의 진동 방향과 반대 방향으로 운동하며, 이는 이중성계로부터 효율적인 각운동량 전달을 의미하며, 연장된 선 방출과 라디오 관측에서 관측된 등위선 기하학적 형태를 설명한다.

ABSTRACT

The microquasar SS 433 is the only known steady supercritical accretor in the Galaxy. It is well-known for its relativistic baryonic jets, but the system also drives equatorial outflows. These have been routinely detected in radio images, and components associated with a circumbinary disk have also been suggested in optical emission lines. We wish to spatially resolve the regions producing the stationary emission lines of SS 433 to shed light on its circumbinary structure and outflows. With an estimated binary orbit size $\lesssim 0.1 ext{ mas}$, this requires optical interferometry. We use the optical interferometer VLTI+GRAVITY to spatially resolve SS 433 in the near-infrared K band at high spectral resolution ($R\approx 4000$) on three nights in July 2017. The stationary Br$γ$ line is clearly dominated by an extended $\sim 1 ext{ mas} \sim 5 ext{ AU}$ circumbinary structure perpendicular to the jets and with a strong rotation component. The rotation direction is retrograde relative to the jet precession, in accordance with the slaved disk precession model. The structure has a very high specific angular momentum and is too extended to be a stable circumbinary disk in Keplerian rotation; interpreting it as such leads to a very high enclosed mass $M \gtrsim 400 M_{\odot}$. We instead interpret it as the centrifugal ejection of the circumbinary disk, with the implication that there must be an efficient transfer of specific angular momentum from the binary to the disk. We suggest that the equatorial outflows sometimes seen in radio images result from similar episodes of circumbinary disk centrifugal ejection. In addition to the equatorial structure, we find a very extended $\sim 6 ext{ mas} \sim 30 ext{ AU}$ spherical wind component to the Br$γ$ line: the entire binary is engulfed in an optically thin spherical line emission envelope.

연구 동기 및 목표

• SS 433의 정적 선 방출의 기원을 공간적으로 해상도를 높여 분석하여 그 순환 이중성계의 기하학적 특성과 방출 구조를 탐구한다.
• 고해상도 간섭계를 이용하여 근적외선 범위에서 Brγ 선 방출의 운동학적 특성과 기하학적 형태를 규명한다.
• 확장된 방출이 케플러 운동 원반인지, 아니면 비-케플러 운동의 중심력에 의한 방출 구조인지 테스트한다.
• 라디오 관측에서 관측된 등위선 방출과 근적외선 선 방출 기하학적 형태 간의 관계를 조사한다.
• 순환 이중성계 영역 내에 봉쇄된 질량과 각운동량을 제약 조건을 두어 설정하며, 기존의 케플러 운동 원반 모델에 도전한다.

제안 방법

• 2017년 7월 3일 동안 K 대역에서 고스펙트럼 해상도(R ≈ 4000)의 광학 간섭계를 VLTI/GRAVITY를 사용하여 수행하였다.
• Brγ 선 전체 범위에 걸쳐 모델에 의존하지 않는 중심점 분석을 수행하여 방출 성분의 공간 기원을 규명하였다.
• 데이터를 점원천(흡착 원반 + 공급성 항성), 등위선 원반/방출, 그리고 구형 바람 성분의 조합으로 피팅하였다.
• 운동학적 모델링을 통해 등위선 기하학적 형태의 회전 속도, 위치각, 속도 분산을 유도하였다.
• 관측된 운동학적 특성과 일치하는지를 확인하기 위해 케플러 운동을 가정한 질량 봉쇄 계산을 수행하였다.
• 2016년 GRAVITY 관측 결과와 비교하여 방출 기하학적 형태의 변화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SS 433의 정적 Brγ 선 방출의 공간 기원과 운동학적 기하학적 형태는 무엇인가?
• RQ2 확장된 등위선 방출은 케플러 운동 원반인지, 아니면 비-케플러 운동의 방출 구조인지 일치하는가?
• RQ3 등위선 기하학적 형태의 특정 각운동량은 얼마이며, 이는 이중성계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 방출의 기하학적 형태와 운동학적 특성은 진동하는 상대론적 제트와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 초-케플러 운동을 하는 물질을 방출시키는 메커니즘은 무엇이며, 이는 라디오 관측에서 관측된 등위선 방출과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• Brγ 선 방출은 제트에 수직인 방향으로 약 1 mas(~5 AU)의 확장된 등위선 기하학적 형태에 의해 지배되며, 제트의 진동 방향과 반대 방향으로 회전한다.
• 등위선 기하학적 형태는 이중성계 성분의 각운동량보다 약 10배 높은 특정 각운동량을 지니며, 안정적인 케플러 운동 원반을 배제한다.
• 이 기하학적 형태를 케플러 운동 원반으로 해석할 경우, 비현실적으로 높은 약 400 M☉의 질량 봉쇄가 필요하며, 이는 비-케플러 운동 역학을 시사한다.
• 데이터는 순환 이중성계 원반의 중심력에 의한 방출 모델을 지지하며, 이중성계에서 원반으로 효율적인 각운동량 전달이 이루어지고 있음을 나타낸다.
• 별도의 확장된 구형 바람 성분(~6 mas, ~30 AU)이 감지되었으며, 이는 고속도 선 꼬리(>1000 km/s)를 담당한다.
• 2016년 관측에서는 제트에 따라 배열된 이중성 방출이 관측되었지만, 2017년 데이터는 주로 등위선 기하학적 형태가 지배하고 있어, 디스크의 간헐적 방출을 시사한다.