[논문 리뷰] Young pre-Low-Mass X-ray Binaries in propeller phase : Nature of the 6.7-hour periodic X-ray source 1E 161348-5055 in RCW 103

Harshal Bhadkamkar, Pranab Ghosh|2009. 09. 01.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 31인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 젊은 초신성 잔해 RCW 103 내 6.7시간 주기의 X선 소스인 1E 161348-5055가, 타원형 궤도에서 질량 전이의 궤도 모듈레이션으로 관측된 주기적 X선 방출을 보이는, 빠르게 도는 중성자별이 프로펠러 단계에 있는 젊은 전-저질량 X선 이중성(stellar)이라고 제안한다. 이 모델은 Illarionov-Sunyaev 및 Romanova-Lovelace 프로펠러 토크 규정을 사용하여 빛의 곡선과 스펙트럼 특성을 성공적으로 재현하며, 낙관적인 천체물리학적 설명을 제공한다. 이는 특수한 자기장(예: 마그네타르 유사 필드)이 필요로 하지 않는다.

ABSTRACT

Discovery of the 6.7-hour periodicity in the X-ray source 1E 161348-5055 in RCW 103 has led to investigations of the nature of this periodicity. We explore a model for 1E 161348-5055, wherein a fast-spinning neutron star with a magnetic field $\sim 10^{12}$ G in a young pre-Low-Mass X-ray Binary (pre-LMXB) with an eccentric orbit of period 6.7 hr operates in the "propeller" phase. The 6.7-hr light curve of 1E 161348-5055 can be quantitatively accounted by a model of orbitally-modulated mass transfer through a viscous accretion disk and subsequent propeller emission (both Illarionov-Sunyaev type and Romanova-Lovelace et al type), and spectral and other properties are also in agreement. Formation and evolution of model systems are shown to be in accordance both with standard theories.

연구 동기 및 목표

• 1E 161348-5055에서 관측된 6.7시간 주기의 X선 주기성을 젊은 전-저질량 X선 이중성 시스템에서의 궤도 모듈레이션으로 설명하는 것.
• 관측된 빛의 곡선과 스펙트럼 특성이 표준 중성자별 자기장(~10^12 G)을 가진 프로펠러 모델에 의해 정량적으로 재현될 수 있는지 테스트하는 것.
• 최근 제안된 마그네타르 모델에 대한 대안으로서 전-저질량 X선 이중성 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 헬륨 별의 초신성에서 형성된 타원형 이중성의 형성 및 tidal 진화를 분석하여 관측된 시스템 연령과 환경과 일치하는지 평가하는 것.
• 이 유형의 천체에 대해 전-저질량 X선 이중성 모델과 마그네타르 모델을 구별할 수 있는 관측적 특징을 식별하는 것.

제안 방법

• 타원형 이중성 시스템에서 점성적 낙착 디스크를 통한 궤도 모듈레이션 질량 전이를 사용하여 6.7시간 빛의 곡선을 모델링하는 것.
• Illarionov-Sunyaev 및 Romanova-Lovelace 등 두 가지 다른 이론적 프레임워크를 사용하여 프로펠러 토크를 적용하여 중성자별의 자기권에서 물질을 방출하는 X선 방출을 시뮬레이션하는 것.
• 젊은 이중성에서 타원형 궤도의 tidal 원형화 시간 스케일을 시뮬레이션하여 궤도 모듈레이션의 지속 가능성을 평가하는 것.
• 프로펠러 단계의 예측된 스펙트럼 및 빛의 곡선 변화를 1E 161348-5055의 관측된 특성과, 침묵 상태의 부드러운 X선 전이천체(Aquila X-1)와 비교하는 것.
• 공통-envelope 진화와 헬륨 별 초신성 시나리오를 포함한 표준 이중성 진화 이론과의 일관성을 평가하는 것.
• 질량과 운동량 손실이 전-저질량 X선 이중성에서 궤도 이심도 증가에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1E 161348-5055에서 관측된 6.7시간 주기의 X선 주기적 변동은 중성자별이 프로펠러 상태에 있고, 타원형 궤도를 도는 젊은 전-저질량 X선 이중성에서 궤도 모듈레이션으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 1E 161348-5055의 관측된 스펙트럼 및 빛의 곡선 특성은 표준 자기장(~10^12 G)을 가진 디스크 공급 프로펠러 방출 모델이 예측하는 것과 일치하는가?
• RQ3 이러한 시스템의 형성과 진화는 공통-envelope 진화와 헬륨 별 초신성 폭발을 포함한 표준 이중성 진화 경로와 일치하는가?
• RQ4 전-저질량 X선 이중성 모델과 최근 제안된 마그네타르 모델 간의 관측 가능한 서명은 무엇으로 다를까?
• RQ5 초강력 자기장(~10^15 G)이나 특수한 중성자별 상태를 도입하지 않고서도 1E 161348-5055의 관측된 특성을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• Illarionov-Sunyaev 및 Romanova-Lovelace 유형의 프로펠러 토크 모델이 모두 1E 161348-5055의 6.7시간 빛의 곡선을 정량적으로 재현하며, 프로펠러 메커니즘의 타당성을 확인한다.
• 1E 161348-5055의 스펙트럼 및 빛의 곡선 특성은 Aquila X-1 등의 연약한 X선 전이천체가 침묵 상태일 때의 특성과 일치하며, 프로펠러 단계 시스템과의 유사성을 뒷받침한다.
• 모델은 궤도 모듈레이션이 전-저질량 X선 이중성의 타원형 단계 동안에만 예상된다고 예측하며, 이는 관측된 주기성과 RCW 103의 젊은 연령(~2000년)과 일치한다.
• 전-저질량 X선 이중성에서 타원형 궤도 단계의 수명은 약 10^6–10^7년으로 추정되며, 이는 약 100개의 LMXB당 1개의 이러한 시스템이 존재할 것으로 예상되는 관측 통계와 일치한다.
• 질량과 운동량 손실이 궤도 이심도를 증가시키는 영향을 고려하더라도 모델은 타당성이 유지되며, 추정된 질량 전이율 수준에서는 이러한 효과가 미미한 것으로 나타났다.
• 이 연구는 현재까지 1E 유형 천체에서 마그네타르를 도입할 만한 설득력 있는 증거가 없으며, 표준 자기장과 함께 전-저질량 X선 이중성 진화가 모든 관측된 특징을 설명할 수 있다고 제안한다.