[論文レビュー] Magnetospheric interaction in white dwarf binaries AR Sco and AE Aqr

Maxim Lyutikov, Maxim V. Barkov+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、AR ScoおよびAE Aqrが、弱磁化白色矮星（B ~ 10⁶ G）が赤色矮星同伴星のイオン化した風からの質量負荷によって減速している一時的プロペラ相にあると提案する。非熱的X線および可視光放射は白色矮星の磁気圏内での再結合イベントに起因し、電波放射は赤色矮星の磁気圏から発生する。これは木星-イオ相互作用に類似している。主な結果は、降着や強い磁場を仮定せず、自励的で整合性のあるモデルにより、回転減速、多波長周期的変動、非熱的放射を説明できることである。

ABSTRACT

We develop a model of the white dwarf (WD) - red dwarf (RD) binaries AR Sco and AE Aqr as systems in a transient propeller stage of highly asynchronous intermediate polars. The WDs are relatively weakly magnetized with magnetic field of $\sim 10^6$ G. We explain the salient observed features of the systems due to the magnetospheric interaction of two stars. Currently, the WD's spin-down is determined by the mass loading of the WD's magnetosphere from the RD's at a mild rate of $\dot{M}_{WD} \sim 10^{-11} M_\odot $/yr. Typical loading distance is determined by the ionization of the RD's wind by the WD's UV flux. The WD was previously spun up by a period of high accretion rate from the RD via Roch lobe overflow with $\dot{M} \sim 10^{-9} M_\odot $/yr, acting for as short a period as tens of thousands of years. The non-thermal X-ray and optical synchrotron emitting particles originate in reconnection events in the magnetosphere of the WD due to the interaction with the flow from the RD. In the case of AR Sco, the reconnection events produce signals at the WD's rotation and beat periods - this modulation is due to the changing relative orientation of the companions' magnetic moments and resulting variable reconnection conditions. Radio emission is produced in the magnetosphere of the RD, we hypothesize, in a way that it is physically similar to the Io-induced Jovian decametric radiation.

研究の動機と目的

• AR ScoおよびAE Aqrにおける極端な回転減速と非熱的放射を説明すること。これは標準的な激変変星モデルでは説明できない。
• 観測された回転減速光度（~10³³ erg s⁻¹）と放射光度（~10³² erg s⁻¹）の乖離を解消すること。これは予想を約10倍上回る。
• 白色矮星の自転周期およびベイト周期での多波長変動（可視光、X線、電波）の起源を説明すること。特に、自転周期での電波パルスの欠如に注目する。
• 過去の高降着による回転加速から現在の低降着プロペラ相への遷移をモデル化し、現在の進化状態を説明すること。
• 磁気圏相互作用（降着ではなく）が観測される放射と回転減速を駆動していることを確立すること。

提案手法

• 白色矮星-赤色矮星二重星系を、白色矮星の磁気圏が赤色矮星の風からの物質を急速な回転によって排除する一時的プロペラ系としてモデル化する。
• アルヴェン半径条件を適用し、白色矮星のUV放射による赤色矮星風のイオン化を仮定して、磁気圏負荷距離を決定する。
• 回転減速率と質量負荷率（Ṁ_WD ~ 10⁻¹¹ M☉ yr⁻¹）を用いて、現在のプロペラ状態を推定し、観測された回転減速光度と整合する。
• 白色矮星と赤色矮星の間の磁気圏相互作用トルク（|τ| ~ 10³³ erg）を組み込み、軌道的および自転的進化への影響を推定する。
• 回転加速関係式 Ω ∝ Ṁ³ᐟ⁷B_WD⁻⁶ᐟ⁷ を用いて、短い期間にわたる高降着期（Ṁ ~ 10⁻⁹ M☉ yr⁻¹）における過去の降着歴を再構築する。
• 非熱的放射（X線、可視光、電波）は白色矮星の磁気圏内での再結合イベントに起因し、電波放射はイオが木星に誘導するデカメトリック放射に類似したメカニズムにより赤色矮星の磁気圏から発生すると提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された回転減速光度が放射光度を約10倍上回るという事実を踏まえ、AR ScoおよびAE Aqrにおける白色矮星の極端な回転減速を説明するメカニズムは何か？
• RQ2 電波、可視光、X線バンドで強い可変な非熱的放射が観測される一方で、なぜ白色矮星の自転周期でのパルス的電波放射が観測されないのか？
• RQ3 放射が降着や白色矮星磁気圏からの直接放射によるものでない場合、なぜ白色矮星の自転周期およびベイト周期での観測変動が生じるのか？
• RQ4 白色矮星のUV放射による赤色矮星風のイオン化が、効率的な磁気圏負荷と回転減速を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 二つの星間の磁気圏相互作用が、軌道的進化、角運動量損失、および将来的なシステムの運命に与える影響は何か？

主な発見

• AR ScoおよびAE Aqrの白色矮星は現在、質量負荷率が約10⁻¹¹ M☉ yr⁻¹の一時的プロペラ相にあり、これが急速な回転減速を説明する。
• 観測された回転減速光度（~10³³ erg s⁻¹）は、降着ではなく磁気圏からの物質噴出によるエネルギー損失に起因し、光度の乖離を解消する。
• 非熱的X線および可視光放射は、白色矮星の磁気圏内での再結合イベントによる粒子加速に起因し、白色矮星の自転周期およびベイト周期で変動する。
• 電波放射は白色矮星の磁気圏ではなく、赤色矮星の磁気圏から発生する。高周波数（10 GHz）の電波放射は軌道周期で変動し、イオ-木星相互作用に類似したメカニズムに一致する。
• これらのシステムは、数万年間の短い高降着期（Ṁ ~ 10⁻⁹ M☉ yr⁻¹）を経て、白色矮星が回転加速した可能性がある。
• 二つの星間の磁気圏相互作用は赤色矮星に顕著なトルク（~10³³ erg）を及ぼし、その自転および軌道的進化に影響を与える。将来的な降着およびシステムの同期化に影響を及ぼす可能性がある。