[论文解读] Flows and Shocks: Some Recent Developments in Symbiotic Star and Nova Research

J. L. Sokoloski, Stephen S. Lawrence+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 8被引用 8

一句话总结

本文综述了近年来在共生双星和新星的多波段观测方面取得的进展，强调了即使光学特征微弱，仅靠吸积供能的非燃烧型共生双星仍可通过X射线和紫外辐射被探测到。研究确立了碰撞风激波与多组分喷流驱动了高能辐射，包括新星中被费米望远镜探测到的GeV伽马射线，揭示了具有赤道环和双极叶状结构的复杂喷发物结构。

ABSTRACT

There have been several surprising developments in our understanding of symbiotic binary stars and nova eruptions over the last decade or so based on multiwavelength data. For example, symbiotic stars without shell burning on their white dwarfs have been revealed through their X-ray emission, UV excess, and UV variability. These purely accretion powered symbiotic stars have much weaker optical emission lines than those with shell burning, and are therefore harder to discover. Yet they may be as numerous as symbiotic stars with shell burning. Interestingly, both types of symbiotic stars are capable of driving strong outflows, leading to colliding wind X-ray emission and spatially resolved jets. For nova eruptions, the most surprising discovery has been that they are capable of particle acceleration as evidenced by Fermi detection of novae as transient GeV gamma-ray sources. For nova eruptions in cataclysmic variables, this implicates internal shocks, between a slow, dense outflow and a fast outflow or wind. Other signatures of shocks include thermal X-rays and non-thermal radio emissions, and a substantial fraction of optical emission may be shock-powered in the early phase of novae. Radio (V959 Mon) and HST (V959 Mon and T Pyx) images of nova shells within a few years of their respective eruptions suggest that the ejecta from a nova may commonly consist of an equatorial ring and a bipolar outflow.

研究动机与目标

• 理解在白矮星上存在或不存在准稳态壳层燃烧的共生双星在X射线、紫外和光学性质上的观测与物理差异。
• 研究激波在塑造新星喷流和驱动高能辐射（包括伽马射线和非热射电辐射）中的作用。
• 利用多波段成像与光谱数据，特别是与粒子加速和尘埃形成相关的背景，确定新星喷发物的结构。
• 鉴于其弱发射线和射电输出，光学探测困难，通过非光学巡天识别非燃烧型共生双星。
• 探讨激波驱动的粒子加速对理解激变变星和Ia型超新星前身体能量学与演化的影响。

提出的方法

• 利用来自X射线（如钱德拉、XMM-Newton）、紫外（哈勃空间望远镜、GALEX）、射电（VLA、ALMA）和伽马射线（费米-LAT）望远镜的多波段观测，分析共生双星和新星爆发。
• 应用白矮星吸积与壳层燃烧的理论模型，解释存在或不存在燃烧的共生双星在光度与温度上的差异。
• 使用流体动力学模拟与激波特模型，基于慢速致密核心与快速喷流之间的碰撞流，解释新星喷发物中赤道环与双极叶状结构的形成。
• 分析光变曲线与光谱特征（如THEA线），识别新星爆发期间激波加热成分，特别是在最大亮度前的停顿阶段出现的蓝移吸收。
• 通过多组分喷流中的内激波特，评估粒子加速机制，将伽马射线发射与强子或轻子过程联系起来。
• 结合哈勃空间望远镜与射电成像对V959 Mon与T Pyx的观测，推断致密、缓慢运动的核心与快速、双极喷流之间相互作用的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在白矮星上存在或不存在准稳态壳层燃烧的共生双星，其X射线、紫外与光学特性有何不同？
• RQ2 新星喷发物中赤道环与双极叶状结构的形成机制是什么？它们与激波特结构有何关联？
• RQ3 为何新星被探测为瞬时GeV伽马射线源？这对它们的喷流结构与粒子加速有何含义？
• RQ4 新星喷流中的激波如何贡献于非热射电辐射、热X射线与激波驱动的光学发射？
• RQ5 在新星的严酷环境中，尘埃形成的条件是什么？它们与激波加热的致密气体有何关联？

主要发现

• 仅靠吸积供能的非燃烧型共生双星，尽管光学与射电信号微弱，仍可通过X射线发射与紫外超量/变异性被识别。
• 共生双星中的X射线发射是内吸积流的关键诊断工具，非燃烧系统为研究尺度在10^12–10^13 cm的风供能吸积盘提供了更清晰的视图。
• 费米-LAT探测到新星作为瞬时GeV伽马射线源，表明多组分喷流中的内激波特广泛存在粒子加速。
• 新星喷发物通常表现出核心-晕结构，赤道环与双极叶状结构由慢速致密核心与快速双极喷流的相互作用形成。
• 爆发后约三年半，V959 Mon的快速组分已衰减至不可探测，表明较老的壳层可能主要由更慢、更致密的核心组分主导。
• 新星中碰撞流产生的激波特可产生非热射电辐射、热X射线与大量早期光学发射，尘埃形成则发生于致密、冷却的激波后气体中。