[论文解读] Coupling hydrodynamics with comoving frame radiative transfer: II. Stellar wind stratification in the high-mass X-ray binary Vela X-1

A. A. C. Sander, Felix Fürst+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 63被引用 3

一句话总结

本研究首次为高质质量X射线双星Vela X-1中的B型超巨星伴星构建了流体动力学一致的非局部热动平衡（non-LTE）恒星大气模型，将辐射流体动力学与共动参考系中的辐射转移相耦合。结果显示，在脉冲星位置处的风速极低（约100 km s⁻¹），远低于标准β律模型的预测值；同时，脉冲星的X射线照射增强了外层风的加速作用，提升约10%，但在高通量水平下导致风加速在高处破裂。

ABSTRACT

CONTEXT: Vela X-1, a prototypical high mass X-ray binary (HMXB), hosts a neutron star (NS) in a close orbit around an early-B supergiant donor star. Accretion of the donor star's wind onto the NS powers its strong X-ray luminosity. To understand the physics of HMXBs, detailed knowledge about the donor star winds is required. AIMS: To gain a realistic picture of the donor star in Vela X-1, we constructed a hydrodynamically consistent atmosphere model describing the wind stratification while properly reproducing the observed donor spectrum. To investigate how X-ray illumination affects the stellar wind, we calculated additional models for different X-ray luminosity regimes. METHODS: We use the recently updated version of the PoWR code to consistently solve the hydrodynamic equation together with the statistical equations and the radiative transfer. RESULTS: The wind flow in Vela X-1 is driven by ions from various elements with Fe III and S III leading in the outer wind. The model-predicted mass-loss rate is in line with earlier empirical studies. The mass-loss rate is almost unaffected by the presence of the accreting NS in the wind. The terminal wind velocity is confirmed at $v_\infty \approx 600$ km/s. On the other hand, the wind velocity in the inner region where the NS is located is only $\approx 100$ km/s, which is not expected on the basis of a standard $β$-velocity law. In models with an enhanced level of X-rays, the velocity field in the outer wind can be altered. If the X-ray flux is too high, the acceleration breaks down because the ionization increases. CONCLUSIONS: Accounting for radiation hydrodynamics, our Vela X-1 donor atmosphere model reveals a low wind speed at the NS location, and it provides quantitative information on wind driving in this important HMXB.

研究动机与目标

• 为Vela X-1中的B型超巨星伴星HD 77581构建一个流体动力学一致的非局部热动平衡（non-LTE）恒星大气模型，以重现其观测光谱。
• 研究吸积脉冲星的X射线照射如何影响伴星大气中的风结构、电离结构及加速过程。
• 确定风速剖面，特别是脉冲星轨道距离处的风速，并与标准β律模型的预测结果进行比较。
• 量化X射线照射对质量损失率和风加速的影响，尤其关注外层风区域。
• 识别在真实X射线和恒星条件下，早期B型超巨星风中主导辐射加速度的离子种类。

提出的方法

• 利用更新后的PoWR代码，同时求解流体动力学方程、统计平衡方程以及共动参考系中的辐射转移方程。
• 对超过十种元素（包括Fe iii、S iii、Si iii和C iii）采用非局部热动平衡处理，以精确模拟辐射加速度。
• 采用简化但物理解释性强的X射线通量模型，模拟来自脉冲星的X射线照射，并通过调节光度研究其影响。
• 采用深度相关的微团块模型（D∞ = 11），以匹配经验质量损失率并考虑风的非均匀性。
• 在球对称条件下，使用一维定态模型求解风结构，边界条件基于先前研究的实测参数。
• 通过与观测的光谱能量分布和终端速度对比，验证结果与实测约束的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当流体动力学与辐射转移被一致耦合时，Vela X-1伴星风的真实风速结构是什么，特别是在脉冲星位置处？
• RQ2 吸积脉冲星的X射线照射如何改变伴星风中电离平衡与辐射加速度？
• RQ3 X射线照射在多大程度上影响了伴星风的质量损失率和终端速度？
• RQ4 在Vela X-1的早期B型超巨星风中，哪些离子种类是主导的辐射加速度驱动者？
• RQ5 在强X射线照射下，风加速的破裂发生在脉冲星轨道附近，还是更远的位置？

主要发现

• 在脉冲星位置（d_ns ≈ 1.8 R*）处的风速仅为约100 km s⁻¹，显著低于标准β律模型的预测值。
• 终端风速确认为v∞ ≈ 600 km s⁻¹，与早期实测研究和理论预期一致。
• 与无照射模型相比，X射线照射使外层风加速增强约10%，这是由于电离增强和额外的辐射驱动力所致。
• 在极高X射线通量水平下，风加速在外层风区域（r ≳ 3 R*）发生破裂，而非在脉冲星附近，原因在于过度电离。
• 主导的辐射加速离子为Fe iii（贡献约15%）和S iii（在外层风中与Fe iii贡献相当），Si iii和C iii各贡献约10%。
• 质量损失率对X射线照射具有鲁棒性，向脉冲星方向最多增加0.1 dex，与实测值log ḊM ≈ -6.2一致。