[논문 리뷰] The 2.35 year itch of Cyg OB2 #9 - I. Optical and X-ray monitoring

Yaël Nazé, L. Mahy외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 25.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 2011년 페리아스트론 통과 기간 동안 질량이 큰 O+O 이중성 Cyg OB2 #9의 처음으로 종합적인 광학 및 X선 모니터링을 수행하여 장기간, 고타원도의 궤도를 확인하고 압축성 풍압 충돌이 명백하게 발생함을 입증한다. X선 복사량은 압축성 충돌에 기대되는 1/D 의존성과 거의 정확히 일치하며, 복사 손실에 의한 억제로 인해 페리아스트론에서 플라즈마 온도가 약 25% 감소한다. 이는 가장 가까이 다가올 때조차도 충돌이 압축성 상태를 유지하는 첫 번째 시스템으로 기록된다.

ABSTRACT

Context: Nonthermal radio emission in massive stars is expected to arise in wind-wind collisions occurring inside a binary system. One such case, the O-type star Cyg OB2 #9, was proven to be a binary only four years ago, but the orbital parameters remained uncertain. The periastron passage of 2011 was the first one to be observable under good conditions since the discovery of binarity. Aims: In this context, we have organized a large monitoring campaign to refine the orbital solution and to study the wind-wind collision. Methods: This paper presents the analysis of optical spectroscopic data, as well as of a dedicated X-ray monitoring performed with Swift and XMM. Results: In light of our refined orbital solution, Cyg OB2 #9 appears as a massive O+O binary with a long period and high eccentricity; its components (O5-5.5I for the primary and O3-4III for the secondary) have similar masses and similar luminosities. The new data also provide the first evidence that a wind-wind collision is present in the system. In the optical domain, the broad Ha line varies, displaying enhanced absorption and emission components at periastron. X-ray observations yield the unambiguous signature of an adiabatic collision because, as the stars approach periastron, the X-ray luminosity closely follows the 1/D variation expected in that case. The X-ray spectrum appears, however, slightly softer at periastron, which is probably related to winds colliding at slightly lower speeds at that time. Conclusions: It is the first time that such a variation has been detected in O+O systems, and the first case where the wind-wind collision is found to remain adiabatic even at periastron passage.

연구 동기 및 목표

• 2.35년 주기로 발견된 이중성으로서, 광학 스펙트로스코피를 통해 Cyg OB2 #9의 궤도 해를 보다 정밀하게 보정하기 위해.
• 다중파장 모니터링을 통해 이 거대한 O+O 이중성 시스템에서의 풍압 충돌의 성격을 조사하기 위해.
• 페리아스트론 통과 기간 동안 X선 복사가 압축성 충돌인지 복사 손실이 있는 충돌인지 여부를 규명하기 위해.
• 풍압 충돌 영역의 물리적 조건, 즉 플라즈마 온도, 복사량, 충돌파동 역학 등을 제약하기 위해.
• 향후 거대 이중성에서의 3차원 유체역학적 모델링을 위한 기준 시스템을 제공하기 위해.

제안 방법

• 관측소 높은 프로방스(ОHP)의 Sophie 스펙트로그래프를 사용한 광학 스펙트로스코피로, 도플러 이동을 측정하고 궤도 파rameter를 보정함.
• 개별 항성 유형을 확인하기 위해 스펙트럼 분리 기법을 적용: 주성은 O5-5.5I, 보조성은 O3-4III.
• Swift 및 XMM-Newton를 이용한 X선 모니터링을 통해 궤도 주기 전반에 걸친 복사량 및 스펙트럼 변화를 추적함.
• Castor 등(1975)의 복사로 구동되는 풍압 모델에 복사 손실을 포함하여 풍압 충돌을 모델링함.
• 관측된 X선 복사량과 온도 변화를 이론적 1/D 의존성 및 압축성 대비 복사 손실 충돌에 대한 냉각 매개변수 χ와 비교함.
• 냉각 매개변수 χ를 사용하여 충돌 영역 내 복사 손실 정도를 평가함. 값이 1에 가까운 경우는 압축성 조건을 의미함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cyg OB2 #9의 X선 복사량은 압축성 풍압 충돌에 기대되는 1/D 의존성과 일치하는가?
• RQ2 궤도 전반에 걸쳐 플라즈마 온도 변화의 성격은 어떠한가? 복사 손실에 의한 억제가 나타나는가?
• RQ3 페리아스트론에서 Hα 선형형은 어떻게 변화하는가? 이는 풍압 역학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 페리아스트론에서 관측된 X선 스펙트럼의 연화 현상은 복사 손실에 의한 충돌 속도 감소로 설명될 수 있는가?
• RQ5 Cyg OB2 #9의 풍압 충돌은 궤도 전반에 걸쳐 압축성 상태를 유지하는가? 특히 페리아스트론에서도 그렇다면?

주요 결과

• 보정된 궤도 해는 Cyg OB2 #9가 장기간(P ≈ 2.35년), 고타원도(e ≈ 0.7)의 O+O 이중성임을 확인하며, 질량과 빛의 세기에서 거의 동일한 값을 가짐.
• 주성은 O5-5.5I로 분류되고, 보조성은 O3-4III로 확인되었으며, 스펙트럼 분리 기법으로 그들의 독립적이나 유사한 특성을 확인함.
• Hα 선은 페리아스트론에서 강한 흡수 및 발광 성분을 보이며, 이는 풍압의 구조적 변화를 나타냄.
• X선 복사량은 압축성 충돌에 기대되는 1/D 의존성과 거의 정확히 일치하며, 궤도 전반에 걸쳐 유의미한 이격이 없음.
• X선 스펙트럼은 페리아스트론에서 연화되며, 두 번째 열성분이 약 25% 냉각됨(아파스트론에서 약 ~2.7 keV에서 페리아스트론에서 약 ~2.0 keV로 감소), 이는 풍압 충돌 모델에서 복사 손실에 의한 억제와 일치함.
• 이 시스템은 페리아스트론에서도 여전히 충돌이 압축성 상태를 유지하는 것으로 관측된 첫 번째 O+O 이중성으로, 높은 밀도와 강한 복사장 환경에도 불구하고 그러한 특성을 보임.