[論文レビュー] Formation of wind-captured discs in Supergiant X-ray binaries : consequences for Vela X-1 and Cygnus X-1

I. El Mellah, A. A. C. Sander+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 77被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、超巨星X線連星（SgXBs）における軌道力学と放射冷却が、ローチューブオーバーフローがなくても、風によって捕獲された物質から恒久的で円盤状の構造が形成され得ることを提案している。重力およびX線イオン化効果を含む3次元流体ダイナミクスシミュレーションにより、風速が軌道速度と同等の場合、流れは顕著に非対称となり、ネットで角運動量を獲得し、冷却によって円形化し、安定な円盤を形成することが示された。これは、ヴェラX-1およびサイリウスX-1における観測されたX線行動を説明するものである。

ABSTRACT

In Supergiant X-ray binaries (SgXB), a compact object captures a fraction of the wind of an O/B supergiant on a close orbit. Proxies exist to evaluate the efficiency of mass and angular momentum accretion but they depend so dramatically on the wind speed that given the current uncertainties, they only set loose constrains. Furthermore, they often bypass the impact of orbital and shock effects on the flow structure. We study the wind dynamics and the angular momentum gained as the flow is accreted. We identify the conditions for the formation of a disc-like structure around the accretor and the observational consequences for SgXB. We use recent results on the wind launching mechanism to compute 3D streamlines, accounting for the gravitational and X-ray ionizing influence of the compact companion on the wind. Once the flow enters the Roche lobe of the accretor, we solve the hydrodynamics equations with cooling. A shocked region forms around the accretor as the flow is beamed. For wind speeds of the order of the orbital speed, the shock is highly asymmetric compared to the axisymmetric bow shock obtained for a purely planar homogeneous flow. With net radiative cooling, the flow always circularizes for wind speeds low enough. Although the donor star does not fill its Roche lobe, the wind can be significantly beamed and bent by the orbital effects. The net angular momentum of the accreted flow is then sufficient to form a persistent disc-like structure. This mechanism could explain the proposed limited outer extension of the accretion disc in Cygnus X-1 and suggests the presence of a disc at the outer rim of the neutron star magnetosphere in Vela X-1, with dramatic consequences on the spinning up of the accretor.

研究の動機と目的

• 超巨星X線連星（SgXBs）における風降着に及ぼす軌道運動および衝撃力学の影響を調査すること、特に風速が軌道速度と同等の場合に焦点を当てる。
• 平面的かつ軸対称な流れを仮定する古典的Bondi-Hoyle-Lyttletonモデルの限界を克服すること。このモデルは角運動量輸送および非対称性を考慮していない。
• 風によって捕獲された円盤が形成される条件を特定すること、特にコンパクトな天体が超巨星の表面に近いようなシステム（ヴェラX-1やサイリウスX-1など）において重点を置く。
• 放射冷却が降着流の円形化および円盤構造形成に与える影響を評価すること。
• このような円盤形成が中性子星のスピン進化およびSgXBsで観測されるX線変動に与える影響を調査すること。

提案手法

• O/B型超巨星からの風の流れをモデル化するため、3次元流体ダイナミクスシミュレーションを用い、コンパクトな伴星からの重力的およびX線イオン化力の影響を組み込んだ。
• 非径方向の加速および終端速度プロファイルを考慮した、第一原理の風発生モデルを用いて、風のストリームラインを追跡した。
• 降着対象の重力的影響域に流れが進入するかどうかを特定するため、ローチューブ境界を自己一貫的に取り扱った。
• 衝撃後領域における放射冷却を考慮した流体方程式を解き、円形化および円盤形成の程度を評価した。
• 非軸対称的かつ時間に依存しない手法を用いて、衝撃非対称性を含む降着流の定常状態構造をモデル化した。
• 風速が軌道速度に対して変化する条件下で、角運動量輸送および降着幾何学的形状を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風速が軌道速度と同等の場合、SgXBsにおける風捕獲円盤が形成される条件は何か？
• RQ2 軌道効果およびX線イオン化は、古典的軸対称なBondi-Hoyle-Lyttletonモデルと比較して、降着流の非対称性およびビーミングにどのように影響を与えるか？
• RQ3 放射冷却は、降着流の円形化および円盤状構造の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 降着流のネット角運動量が、ヴェラX-1のようなシステムにおける恒久的円盤の形成にどのように寄与するか？
• RQ5 このような円盤の存在が、X線放射度、吸収列密度、および中性子星のスピン進化に及ぼす観測的影響は何か？

主な発見

• 風速が軌道速度と同等の場合、衝撃構造は顕著に非対称となり、古典的Bondi-Hoyle-Lyttletonモデルの軸対称なバッシュショックとは著しく異なる。
• ネット放射冷却が、十分に低い風速において降着流の円形化を保証し、恒久的な円盤状構造の形成を可能にする。
• ローチューブオーバーフローがなくても、曲がった軌道に伴う角運動量の獲得と軌道力学が、特にヴェラX-1のようなシステムで円盤形成を引き起こす可能性がある。
• ヴェラX-1では、冷却が非効率な場合、厚い円盤が観測された吸収列密度に顕著に寄与する可能性があり、特に食の際には顕著である。
• ヴェラX-1における円盤の存在は、観測されたX線変動を説明する可能性があり、放射圧不安定性に起因する進化機構と関連している可能性がある。
• 本研究は、サイリウスX-1における降着円盤の外縁が限定的であるのは、標準的なRLOFや他のモデルとは異なる、風捕獲円盤メカニズムの結果である可能性を示唆している。