[논문 리뷰] Exploration of the $\ps-\pb$ Relation for Wind-Fed X-Ray Pulsars

Hai‐Lang Dai, Xi-Wei Liu외 1명|ArXiv.org|2006. 08. 29.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 37인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 고질량 이중성에서 중성자별 자전 진화를 몽테카를로 인구합성 기법을 사용하여 분석하여, 풍력 공급(accrretion)과 프로펠러 효과가 관측된 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 상관관계를 설명할 수 있음을 보여준다. 대부분의 중성자별은 펄서 단계 동안 자전 감속으로 인해 $\sim10^2$--$10^3$ s 수준의 자전 주기를 가지며, 자기장 축과 자전축 사이의 정렬은 천천히 발생한다.

ABSTRACT

We have investigated the relation between the orbital periods ($\pb$) and the spin periods ($\ps$) of wind-fed X-ray pulsars in high-mass X-ray binaries (HMXBs), based on population synthesis calculations of the spin evolution of neutron stars during the pre-HMXB stage. We show that most of the neutron stars either have steady accretion or still reside in the radio pulsar phase when the donor star starts evolving off the main sequence. In the former case the values of $\ps$ can be decelerated to be $\sim 10^2-10^3$ s depending on $\pb$. We briefly discuss the possible origin of the $\ps-\pb$ correlation in Be/X-ray binaries, and the existence of HMXBs with main sequence donors. We have also investigated the evolution of the inclination angle between the magnetic and spin axes of neutron stars in a massive binary, suggesting secular alignment of the magnetic and spin axes during their evolution.

연구 동기 및 목표

• 풍력 공급 X선 펄서에서의 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 상관관계 기원을 진화 인구합성 기법을 사용하여 이해하기.
• 고질량 X선 이중성(HMXB)에서의 안정적 공급이 시작되기 이전 중성자별 자전 주기가 어떻게 변화하는지 조사하기.
• 프로펠러 효과와 펄서 단계 동안의 자전 감속이 관측된 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 분포를 어떻게 형성하는지 검토하기.
• 주계열을 공급자로 가지는 HMXB의 존재 여부를 평가하고, HMXB 진화에 대한 함의 분석하기.
• 시간이 지남에 따라 고질량 이중성에서 자기장 축과 자전축 간의 천천히 진행되는 정렬 메커니즘 탐색하기.

제안 방법

• HMXB 단계 이전 고질량 이중성에서 중성자별 자전 진화를 몽테카를로 인구합성 시뮬레이션으로 수행한다.
• Davies & Pringle(1981)의 모델을 단순화하여, 자기기립 방출과 입자 방출 토크를 포함한 자전 진화 모델을 적용한다.
• 프로펠러 효과를 사용하여 펄서 단계 동안 자전 감속을 모델링하며, 토크는 $I\dot{\Omega}_{\rm s} = -\frac{2}{3}\frac{\mu^2\Omega_{\rm s}^3}{c^3}$로 기술한다.
• 20 $M_\odot$ 주계열 별의 질량 손실율을 경험적 관계식(Eq. 9)을 사용하여 적용하고, 풍속도 $v_\infty = 10^8 v_8$ cm s$^{-1}$로 설정한다.
• 자기장권 반경과 램 압력 균형 조건을 이용해 평형 자전 주기 $P_{\rm eq}$를 평가하며, $P_{\rm eq} \propto \dot{M}^{-3/7}$의 비례 관계를 가진다.
• 공급 단계 동안의 운동량 전달을 가정하여, 자기장 축과 자전축 간 정렬을 천천히 진행되는 진화로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍력 공급 X선 펄서에서 관측된 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 상관관계의 원인은 무엇인가?
• RQ2 펄서 단계 동안의 프로펠러 효과가 HMXB 내 중성자별의 최종 자전 주기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HMXB 단계 이전 자전 진화가 $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 관계를 설명할 수 있는가?
• RQ4 HMXB 중 주계열을 공급자로 가지는 항성의 비율은 얼마이며, 초거성 HMXB와 비교해 빛의 세기와 자전 주기에서 어떤 차이를 보이는가?
• RQ5 고질량 이중성에서 시간이 지남에 따라 자기장 축과 자전축이 어느 정도 정렬되는가?

주요 결과

• 풍력 공급 HMXB 내 중성자별은 주로 펄서 단계 동안 프로펠러 효과로 인해 $P_{\rm s} \sim 10^2$--$10^3$ s 수준으로 자전 감속을 겪는다. 이는 궤도 주기에 따라 달라진다.
• $P_{\rm s}$--$P_{\rm orb}$ 상관관계는 공급자 별의 주계열 단계 동안 중성자별이 평형 자전 주기를 도달했음을 시사한다.
• 매우 중요한 비율의 중성자별이 공급자가 여전히 주계열에 있을 동안 평형 자전 주기 $P_{\rm eq}$에 도달할 수 있으며, 특히 강력한 자전 감속 토크 조건에서 그렇다.
• 모델은 은하계 내 수백 개의 주계열 공급자와 함께 존재하는 HMXB의 존재를 예측하며, X선 빛의 세기는 $\sim 10^{33}$--$10^{35}$ erg s$^{-1}$ 수준이다.
• 자기장 축과 자전축 간의 천천히 진행되는 정렬은 진화 과정에서 기대되며, 이는 대부분의 HMXB에서 이들의 축 간 기울기 각도가 작을 것임을 시사한다.
• 2S 0114+650의 매우 긴 자전 주기($P_{\rm s} \sim 10^4$ s)는 프로펠러 효과를 통해 효율적인 자전 감속을 가능하게 하기 위해 초기 자기장 $B \gtrsim 10^{14}$ G 이상이 필요할 수 있다.