[논문 리뷰] Unifying disc-jet behaviour in X-ray binaries: an optical/IR approach

D. M. Russell, D. Maitra외 2명|ArXiv.org|2008. 11. 18.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 X선 이진성에서 디스크-제트 행동을 통합하기 위해 가시광선/적외선(OIR) 색도-등급도를 사용하여 열적 디스크 방출과 비열적 제트 방출을 분리한다. 가열된 단일 온도 블랙바디 모델은 OIR 색도-등급도 경향을 성공적으로 재현하며, 더 빨간색으로의 편이가 제트 지배를 나타내어, 오직 OIR 모니터링만으로도 X선 및 전파 성질을 예측할 수 있다.

ABSTRACT

Synchrotron emission from jets produced by X-ray binaries can be detected at optical and infrared (IR) frequencies. I show that optical/IR colour-magnitude diagrams of the outbursts of nine X-ray binaries successfully separate thermal disc emission from non-thermal jet emission, in both black hole and neutron star sources. A heated single-temperature blackbody is able to reproduce the observed relations between colour and magnitude, except when excursions are made to a redder colour than expected, which is due to jet emission. The general picture that is developed is then incorporated into the unified picture of disc-jet behaviour in black hole X-ray binaries. At a given position of a source in the X-ray hardness-intensity diagram, the radio, IR and optical properties can be inferred. Similarly, it is possible to predict the X-ray and radio luminosities and spectral states from optical/IR monitoring.

연구 동기 및 목표

• 가시광선 및 적외선(OIR) 색도-등급도를 사용하여 X선 이진성에서 열적 디스크 방출과 비열적 제트 방출을 분리하기.
• 가열된 단일 온도 블랙바디 모델이 외부 폭발 기간 동안 OIR 색도-등급도 관계를 재현할 수 있는지 테스트하기.
• OIR 성질과 X선/전파 빛의 세기 및 스펙트럼 상태 사이의 상관관계 수립하기.
• OIR 색상 변화가 X선 상태 전이, 특히 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로, 그리고 반대로의 전이를 신호로 줄 수 있는지 확인하기.
• 특히 작은, 흐린 디스크를 가진 시스템에서 중성자별 및 블랙홀 X선 이진성에서 제트 방출의 역할 평가하기.

제안 방법

• 외부 폭발 기간 동안 아홉 개인 저질량 X선 이진성(LMXBs)의 가시광선 및 적외선 복사원소를 수집하였으며, 이는 문헌 자료와 예일 1.0m 천체망원경, 푸르스 텔레스 노스 및 서스를 활용한 새로운 모니터링 캠프에 기반한다.
• OIR 복사원소와 색상의 변화를 추적하기 위해 가시광선/적외선 색도-등급도(CMDs)를 구성하였다.
• 일정한 면적과 점성 및 X선 조사에 의한 가열을 가정하여 열적 디스크 방출을 시뮬레이션하기 위해 단일 온도 블랙바디 모델을 적용하였다.
• 제트에서 광학적으로 얇은 동기복사 방출에 대해 α ≈ –0.7의 스펙트럼 지수를 사용하였으며, 관측된 OIR 변동성과 스펙트럼 형태와 일치한다.
• 관측된 CMDs를 모델 예측과 비교하여, 더 빨간색으로의 편이가 제트 지배성을 나타내는 지표로 식별하였다.
• OIR 행동을 X선 경도-강도도(Diagram, HID)와 연관지켜 다파장 상관관계를 추론하고, OIR 모니터링만으로도 전파, X선, OIR 빛의 세기를 예측할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가시광선 및 적외선 색도-등급도가 X선 이진성에서 열적 디스크 방출과 비열적 제트 방출을 성공적으로 분리할 수 있는가?
• RQ2 가열된 단일 온도 블랙바디 모델이 LMXB 외부 폭발 기간 동안 관측된 OIR 색도-등급도 경향을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ3 임시적인 블랙홀 및 중성자별 X선 이진성에서 OIR 색상과 복사원소는 X선 및 전파 빛의 세기와 스펙트럼 상태와 어떻게 상관관계를 맺는가?
• RQ4 OIR 색상 변화는 X선 상태 전이, 특히 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로, 그리고 반대로의 전이를 신호로 줄 수 있는가?
• RQ5 더 작은, 더 흐린 적응 디스크를 가진 시스템에서 제트 방출이 더 두드러지게 나타나는가, 특히 중성자별 X선 이진성에서 그렇다면?

주요 결과

• 가시광선 및 적외선 색도-등급도가 아홉 개의 LMXB에서 열적 디스크 방출과 비열적 제트 방출을 성공적으로 분리하였으며, 더 빨간색으로의 편이가 제트 지배성을 나타낸다.
• 가열된 단일 온도 블랙바디 모델은 제트 지배 단계를 제외한 모든 시스템에서 관측된 색도-등급도 경향을 정확히 재현한다.
• 제트 방출이 더 강하게 나타나는 시스템은 궤도 주기가 짧은 곳이며, 이는 적응 디스크가 더 작고 흐린 경우에 해당한다.
• OIR 색상은 부드러운 X선 상태 기간 동안 냉각되는 적응 디스크와 일치하지만, 같은 복사원소 수준에서 더 빨간색으로 나타나는 것은 제트 기여를 나타낸다.
• 전파, 적외선, 가시광선 방출은 X선 빛의 세기와 상관관계를 보이며, 오직 OIR 모니터링만으로도 광역 성질을 예측할 수 있다.
• X선 상태 전이는 OIR 색상 변화를 통해 식별 가능하며, 딱딱한 상태는 동일한 복사원소 수준에서 더 빨간색 OIR 스펙트럼을, 부드러운 상태는 더 파란색 스펙트럼을 나타낸다.