[논문 리뷰] The Wolf-Rayet counterpart of Cygnus X-3

M. H. van Kerkwijk, T. R. Geballe외 3명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|1996. 04. 17.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 8인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 궤도 위상에 따라 해상도를 높인 I 및 K 대역 스펙트로스코피를 통해 사이기누스 X-3이 X선 이진성의 동반성으로 월프-레일리(WN형) 항성과 함께한다는 것을 확인한다. 관측된 스펙트럼 변화—선 강도 및 비율 변화, 궤도 위상과 관련된 도플러 시프트—는 X선 소스에 의해 주기적으로 이온화되는 월프-레일리 풍속 모델을 지지하며, 강한 발광선은 완전한 이온화를 나타내고, 약한 선은 그림자 효과로 인해 궤도 조절을 받는다.

ABSTRACT

We present orbital-phase resolved I and K-band spectroscopy of Cygnus X-3. All spectra show emission lines characteristic of Wolf-Rayet stars of the WN subclass. On time scales longer than about one day, the line strengths show large changes, both in flux and in equivalent width. In addition, the line ratios change, corresponding to a variation in spectral subtype of WN6/7 to WN4/5. We confirm the finding that at times when the emission lines are weak, they shift in wavelength as a function of orbital phase, with maximum blueshift coinciding with infrared and X-ray minimum, and maximum redshift half an orbit later. Furthermore, we confirm the prediction -- made on the basis of previous observations -- that at times when the emission lines are strong, no clear wavelength shifts are observed. We describe a simplified, but detailed model for the system, in which the companion of the X-ray source is a Wolf-Rayet star whose wind is at times ionised by the X-ray source, except for the part in the star's shadow. With this model, the observed spectral variations can be reproduced with only a small number of free parameters. We discuss and verify the ramifications of this model, and find that, in general, the observed properties can be understood. We conclude that Cyg X-3 is a Wolf-Rayet/X-ray binary.

연구 동기 및 목표

• X선 이진성 사이기누스 X-3의 광학적 대응체를 규명하고 특성화한다.
• 사이기누스 X-3에서 광학적 동반성의 성격에 관해 오랫동안 남아있던 암시를 해결한다.
• 궤도 위상에 따라 변화하는 발광선에서 관측된 스펙트럼 변동성을 설명한다.
• X선 조사에 의한 월프-레일리 풍속의 주기적 이온화와 스펙트럼 변화를 유도하는 가설을 검증한다.
• 선 이동, 강도, 스펙트럼 형식 변화를 모두 설명하는 물리적으로 일관된 모델을 수립한다.

제안 방법

• 여러 궤도 주기 동안 사이기누스 X-3의 궤도 위상 해상도를 가진 근적외선(I 및 K 대역) 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 스펙트럼 형식 변화( WN6/7에서 WN4/5로)를 추론하기 위해 발광선 유량, 등가폭, 선 비율의 변화를 측정하였다.
• 발광선의 도플러 시프트를 궤도 위상에 따라 추적하여, X선 및 적외선 최소값 시점에서 체계적인 청색 시프트를 확인하였다.
• 월프-레일리 풍속이 X선 소스에 의해 이온화되지만, 그림자 쪽 반구에서는 제외된 간단한 모델을 제안하였다.
• 최소한의 자유 매개변수로 관측된 선 강도 및 속도 변화를 재현하기 위해 모델을 사용하였다.
• 예측된 이온화 구조와 선 프로파일을 관측 결과와 비교함으로써 모델의 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사이기누스 X-3의 광학적 대응체의 스펙트럼 형식과 성격은 무엇인가?
• RQ2 왜 사이기누스 X-3의 발광선은 강도와 속도에서 강한 궤도 위상 의존성 변화를 보이는가?
• RQ3 관측된 도플러 시프트는 무엇에 의해 발생하며, X선 및 적외선 최소값과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 관측된 스펙트럼 변동성은 X선 소스에 의한 월프-레일리 풍속의 주기적 이온화로 설명될 수 있는가?
• RQ5 관측된 행동은 밀도가 높은 X선 소스와 이진성을 이루는 월프-레일리 항성과 일치하는가?

주요 결과

• I 및 K 대역에서의 발광선을 통해 사이기누스 X-3의 광학적 대응체는 WN 형의 월프-레일리 항성이 맞다.
• 스펙트럼 형식은 궤도 시간 스케일 동안 WN6/7에서 WN4/5로 변화하며, 이온화 상태의 변화를 나타낸다.
• 발광선이 약할 경우, X선 및 적외선 최소값 시점에서 최대 청색 시프트를 보이며, 반나절 후에 최대 적색 시프트를 보인다.
• 발광선이 강할 경우, 명백한 궤도 도플러 시프트는 관측되지 않으며, 이는 풍속이 완전히 이온화되었음을 일관되게 나타낸다.
• 관측된 변동성은 월프-레일리 풍속이 X선 소스에 의해 이온화되지만, 그림자 쪽 반구에서는 제외된 모델로 잘 재현된다.
• 이 모델은 자유 매개변수를 소수만 필요로 하며, 관측된 스펙트럼 및 운동학적 행동 전반을 성공적으로 설명한다.