[論文レビュー] Cyg X-3: can the compact object be a black hole?

E. Ergma, Lev R. Yungelson|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 1997

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、人口合成モデルを用いて、てんしょく座標X-3のコンpact objectが10 M⊙ブラックホールである可能性を調査している。超Eddington降着がシステムの高いX線放射度とジェット活動を説明できるが、風降着に必要な短い軌道周期（10時間未塔）は標準的進化モデル下で極めてまれであるため、このようなシステムはあり得ない。

ABSTRACT

By means of population synthesis we find that the expected Galactic number of black holes with massive helium star companions is \sim 100 and depends on an assumed threshold for M_{pre-BH}. The overwhelming majority of these systems has orbital periods in excess of 10 hr, with a maximum at \sim 100 hr, while under the Illarionov & Sunyaev (1975) disk formation criteria for accretion from the strong stellar wind of Wolf-Rayet star disk accretion is possible only for orbital periods below \sim 10 hr. However, the number of such short-period systems is vanishingly small. If the accretor in Cyg X-3 is a 10 M_sun black hole, then the accretion rate will be super-Eddington. Super-Eddington accretion may be responsible for the formation of jets in Cyg X-3 and may also support an X-ray luminosity as high as \sim 10^{39} erg/s. From the orbital period distribution for neutron stars with massive helium companions we find that if during the common envelope phase a neutron star accretes at Eddington rate and spins-up to the equilibrium period, then in most systems it acts as a ``propeller'' and accretion from the WR star wind is impossible. For the model with two massive helium stars as an immediate progenitor of Cyg X-3, requirement of accomodation of two WR stars in the post-common-envelope orbit combined with severe mass loss by them prevents formation of BH+WR systems with orbital periods less than several days.

研究の動機と目的

• 二重星進化モデルに基づいて、てんしょく座標X-3がブラックホールを有する可能性を評価すること。
• てんしょく座標X-3で観測されたX線放射度とジェット活動が、ブラックホールへの超Eddington降着によって説明可能かどうかを特定すること。
• 風降着に必要な短い軌道周期（10時間未塔）を持つブラックホール＋Wolf-Rayet星系の形成可能性を評価すること。
• 共通エンvelope進化と質量損失が、質量の大きな二重星系の軌道周期分布に与える影響を調査すること。
• 中性子星系における「プロペラ効果」が風降着を排除するかどうかを検証し、代替のコンパクト物体のシナリオを制限すること。

提案手法

• 銀河系内のブラックホール＋質量の大きなヘリウム星系の人口合成技術を用いてモデル化した。
• Illarionov & Sunyaev (1975)の基準を用いて、短い周期系における風降着が降着円盤を形成する条件を特定した。
• ブラックホールの前駆体質量閾値（M_pre-BH）に依存する、軌道周期が10時間未塔のブラックホール系の期待数を評価した。
• 共通エンvelope段階中の降着行動を推定するために、中性子星＋質量の大きなヘリウム星系の軌道周期分布を分析した。
• てんしょく座標X-3の前身である二つの質量の大きなヘリウム星を持つ二重星系の進化経路を、質量損失および共通エンvelope後の制約を含めてモデル化した。
• Eddington限界降着とスピンアップが、風降着系における中性子星のプロペラ効果に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系内のブラックホール＋質量の大きなヘリウム星系で、軌道周期が10時間未塔のものはどれくらい期待されるか？
• RQ2 超Eddington降着は、てんしょく座標X-3で観測された高いX線放射度とジェット活動を説明できるか？
• RQ3 必要な軌道周期制約を満たす条件下で、てんしょく座標X-3のブラックホールがWolf-Rayet星の風から降着可能かどうか？
• RQ4 共通エンvelope段階とその後の質量損失が、短周期ブラックホール＋Wolf-Rayet星系の形成をどれほど妨げるか？
• RQ5 質量の大きなヘリウム星を伴う中性子星系では、プロペラ効果が風降着を排除するため、てんしょく座標X-3の起源としてブラックホールを支持するか？

主な発見

• 銀河系内のブラックホール＋質量の大きなヘリウム星系の期待数は、仮定されたM_pre-BH閾値に依存して約100である。
• これらの系の大部分は10時間以上の軌道周期を示し、ピークは約100時間付近にある。
• Illarionov & Sunyaev基準に基づくと、Wolf-Rayet星の風からの降着円盤形成に必要な短い周期（10時間未塔）を持つ系は、極めてわずかである。
• てんしょく座標X-3のコンパクト物体が10 M⊙ブラックホールである場合、降着率は超Eddingtonであると想定され、観測された約10^39 erg/sのX線放射度を説明できる可能性がある。
• 2つのWR星を共通エンvelope後に軌道上に保つ必要があること、および著しい質量損失があることから、ブラックホール＋Wolf-Rayet星系が数日未塔の短周期で形成されるのは強く否定される。
• 質量の大きなヘリウム星を伴う中性子星系では、Eddington限界降着とスピンアップがプロペラ効果を引き起こし、持続的な風降着を防ぐ。これにより、中性子星の代替説はさらに否定される。