[論文レビュー] Achromatic late-time variability in thermonuclear X-ray bursts - an accretion disk disrupted by a nova-like shell?

J. J. M. in ’t Zand, D. K. Galloway+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 49被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、2S 0918-549におけるX線バーストの後期に見られる色むらのない遅発光変動が、超Eddingtonバーストとノヴァ様の殻状物質噴出によって破壊された降着円盤の再構築に起因すると提案する。2–60 keVのエネルギー領域で色むらのない60秒周期、87%のピーク-ピーク振幅の変動は、放射圧破壊後に再降着を始めた不均一で完全にイオン化された円盤物質によるThomson散乱に起因し、45秒の遅れはおそらく粘性時​​定数または照射閾値に起因する。

ABSTRACT

An unusual Eddington-limited thermonuclear X-ray burst was detected from the accreting neutron star in 2S 0918-549 with the Rossi X-ray Timing Explorer. The burst commenced with a brief (40 ms) precursor and maintained near-Eddington fluxes during the initial 77 s. These characteristics are indicative of a nova-like expulsion of a shell from the neutron star surface. Starting 122 s into the burst, the burst shows strong (87 +/- 1% peak-to-peak amplitude) achromatic fluctuations for 60 s. We speculate that the fluctuations are due to Thompson scattering by fully-ionized inhomogeneities in a resettling accretion disk that was disrupted by the effects of super-Eddington fluxes. An expanding shell may be the necessary prerequisite for the fluctuations.

研究の動機と目的

• 熱核X線バーストの後期減衰段階に見られる新しいタイプの色むらのない変動を特定・特徴づける。
• 2S 0918-549で観測された、バースト発生後122秒に現れる強力でエネルギー依存性のない変動（87%の振幅）の物理的起源を調査する。
• この変動が超Eddingtonバーストおよびノヴァ様の殻状物質噴出による円盤破壊と関連しているかどうかを検証する。
• 放射圧、粘性時定数、およびThomson散乱が観測された変動をどのように形作っているかを評価する。
• このような変動が中性子星X線連星における円盤ダイナミクスおよびバーストエネルギーの診断にどのように利用できるかを評価する。

提案手法

• 2008年のX線バースト観測におけるRXTEのPCA光曲線を分析し、初期段階では0.1秒解像度、後期減衰段階では1.0秒解像度を用いた。
• 変動段階中のスペクトル安定性を確認するための硬さ比分析を用い、変動の色むらのなさを支持する。
• 0.5 ms解像度のフーリエパワースペクトル解析により、エネルギー依存性のないモード変動や準周期的振動（QPO）の存在を否定した。
• 標準α円盤モデルを用いて粘性時定数を推定：$ t_{\rm visc} = 4\tilde{\tau}^{-4/5} M_{1.4}^{8/5} \tilde{\rho}_{16}^{-2/5} (R/R_{\rm g})^{7/5} J(R)^{-2/5} $ 秒、100 km半径の円盤に適用。
• 放射圧破壊のモデル化には $ L > 4\tau R^2 c P_{\rm ram} $ を用い、$ L = 2 \times 10^{38} d_{5.4}^2 $ erg s⁻¹ の場合に $ P_{\rm ram} $ を $ 5 \times 10^{13} $ dyne cm⁻² と推定した。
• 殻の拡張と放射圧の影響により円盤のふっくらみと不均一性が生じ、X線のThomson散乱を引き起こす可能性を考察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2S 0918-549におけるX線バースト発生後122秒に観測された87%のピーク-ピーク振幅、色むらのない変動の原因は何か？
• RQ2 観測された変動は、超Eddingtonバーストおよびノヴァ様の殻状物質噴出によって破壊された円盤の再降着と不均一な沈着によって説明可能か？
• RQ3 近似的にEddington限界に達した段階の終了から変動の発生までの45秒の遅れは、どのような物理的時定数に起因するのか？
• RQ4 変動の持続時間（66秒）は、近似的にEddington限界に達した段階の持続時間と相関しているか？これは破壊された円盤物質の半径方向拡大に何を示唆するか？
• RQ5 この変動は、前駆的現象や超拡張を伴わないバーストでも検出可能か？その場合、提案されたメカニズムにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 2S 0918-549のバーストは40 msの前駆的現象を示し、77秒間近似的にEddington限界の放射率を維持しており、超拡張と殻状物質の噴出を示している。
• 色むらのない、87%のピーク-ピーク振幅の変動が、バースト発生後122〜182秒にかけて発生し、2–60 keVのエネルギー範囲でエネルギー依存性が認められなかった。
• 変動は60秒間持続し、0.5 ms解像度のフーリエ解析により、周期的または準周期的でないことが確認された。
• Eddington限界段階の終了から変動の発生までの45秒の遅れは、100 km半径の円盤に対して60–960秒の粘性時定数と整合的である。
• 変動の持続時間は、近似的にEddington限界に達した段階の持続時間と概ね線形相関しており、より長いバーストは円盤物質をより大きな半径にまで破壊していることを示唆している。
• 著者らは、再構築中の円盤に存在する不均一で完全にイオン化されたクラスターによるThomson散乱が、観測された変動の最も妥当な説明であると提案している。