[논문 리뷰] Nature, formation and evolution of High Mass X-ray Binaries

S. Chaty|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 01.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 고질량 X선 이중성(HMXBs) 분야에서의 관측 및 이론적 진전을 종합적으로 다루며, 세 가지 유형에 중점을 둔다: BeHMXB, 풍력 공급 초거대성 HMXB(sgHMXB), 그리고 로체-로브 오버플로 시스템. INTEGRAL 및 다중 파장 데이터를 활용하여 은하수 내에서 은폐된 지속적 sgHMXB와 SFXT의 숨겨진 인구를 규명했으며, 이들의 행동이 군집된 풍력 공급과 일시적 디스크 형성과 관련이 있음을 밝혀내어 HMXB의 진화와 공급 물리학에 대한 이해를 크게 향상시켰다.

ABSTRACT

The aim of this review is to describe the nature, formation and evolution of the three kinds of high mass X-ray binary (HMXB) population: i. systems hosting Be stars (BeHMXBs), ii. systems accreting the stellar wind of supergiant stars (sgHMXBs), and iii. supergiant stars overflowing their Roche lobe. There are now many new observations, from the high-energy side (mainly from the INTEGRAL satellite), complemented by multi-wavelength observations (mainly in the optical, near and mid-infrared from ESO facilities), showing that a new population of supergiant HMXBs has been recently revealed. New observations also suggest the existence of evolutionary links between Be and stellar wind accreting supergiant X-ray binaries. I describe here the observational facts about the different categories of HMXBs, discuss the different models of accretion in these sources (e.g. transitory accretion disc versus clumpy winds), show the evidences of a link between different kinds of HMXBs, and finally compare observations with population synthesis models.

연구 동기 및 목표

• 세 가지 상이한 하위형태인 BeHMXB, 풍력 공급 초거대성 HMXB(sgHMXB), 그리고 로체-로브 오버플로 시스템을 대상으로 고질량 X선 이중성(HMXB)의 성격, 형성 및 진화 경로를 규명하는 것.
• 공급 메커니즘과 진화 경로를 통해 BeHMXB와 sgHMXB를 연결하는 관측적 증거를 조사하는 것.
• 특히 INTEGRAL, ESO 시설 및 광학/적외선 데이터로부터의 다중 파장 관측이 HMXB 인구 모델을 정교화하는 데 미친 영향을 평가하는 것.
• 항성 풍력 군집성과 일시적 공급 디스크가 SFXT 및 은폐된 sgHMXB에서 관측된 X선 플레어를 설명하는 데 미치는 역할을 평가하는 것.
• 관측 제약 조건을 인구 합성 모델과 비교하여 HMXB 형성률과 진화 종점에 대한 예측을 향상시키는 것.

제안 방법

• INTEGRAL(X선), ESO 망원경(광학, 근적외선 및 중적외선), 그리고 기록된 설문 조사에서 확보한 다중 파장 데이터를 분석하여 HMXB 인구를 식별하고 특성화하는 것.
• Bondi-Hoyle-Littleton 및 군집된 풍력 공급 모델을 적용하여 BeHMXB와 SFXT에서 관측된 일시적 X선 폭발과 플레어를 설명하는 것.
• BeHMXB에서 탈출 디스크 크기와 질량 손실의 지표로 Hα 선의 너비와 적외선 초과를 사용하는 것.
• X선 등화도, 자전 주기(Pspin ~1 ks), 및 열역학적 밀도(NH) 간의 상관관계를 분석하여 은폐된 지속적 sgHMXB와 SFXT를 식별하는 것.
• 관측된 HMXB 분포(예: 스펙트럼형, 궤도 주기, 거리)를 인구 합성 모델과 비교하여 初기 조건과 진화 제약 조건을 추론하는 것.
• 초신성 탄도 힘과 운동량 손실이 HMXB 시스템의 궤도 및 질량 분포를 어떻게 형성하는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BeHMXB와 풍력 공급 초거대성 HMXB 사이에 관측적이고 물리적인 연결 고리가 존재하는가? 이는 HMXB 진화에 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ2 군집된 항성 풍력은 SFXT에서 관측된 짧고 강력한 X선 플레어와 일부 sgHMXB의 일시적 행동을 어떻게 설명하는가?
• RQ3 주변 탈출 디스크는 BeHMXB에서 공급을 어떻게 조절하는가? 그 성질은 X선 폭발 유형과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 높은 NH와 긴 Pspin을 특징으로 하는 최신 발견된 은폐된 지속적 sgHMXB의 성질은 공급 및 이중성 진화 모델에 어떤 제약 조건을 부여하는가?
• RQ5 인구 합성 모델은 은하수 내 관측된 HMXB 분포를 어느 정도 정확하게 재현하는가? 향후 개선이 필요한 부분은 무엇인가?

주요 결과

• INTEGRAL는 알려진 은하수 내 초거대성 HMXB의 수를 네 배로 증가시켰으며, 고밀도(NH)와 긴 자전 주기(~1 ks)를 가진 은폐된 지속적 소스의 이전에 알려지지 않은 인구를 드러냈다.
• INTEGRAL에 의해 새로운 일시적 소스인 초거대 빠른 X선 전이(SFXT)가 규명되었으며, 약 매 100일 간격으로 짧고 강력한 플레어(최대 밀도 ~1 Crab, 지속 시간 1–100초)를 보이며, 이는 군집된 풍력 공급에 의해 설명된다.
• 최근 발견된 많은 sgHMXB는 밀도 높은 항성 풍력 속에 깊이 잠겨 있어 이중성 시스템을 둘러싼 먼지 코코넛을 형성하며, 강한 내재적 흡수를 유도한다.
• BeHMXB에서 Hα 선 너비와 탈출 디스크 크기 간의 관측된 상관관계는 주변 디스크 존재를 지지하며, BeHMXB의 항성은 B0 V(~16 M☉)에서 최고에 이르며, O9 V에서 B2 V까지 다양하다.
• SFXT와 은폐된 sgHMXB의 존재는 HMXB에서의 공급이 종종 매우 변동성이 크며, 일시적이고 군집 기반의 공급이 안정적인 풍력 공급보다 지배적임을 시사한다.
• 인구 합성 모델은 넓은 궤도를 가진 sgHMXB(Porb ~100일)가 초기 궤도 주기 약 10일에서 기인했을 가능성이 있으며, 공통 껍질 단계를 통과한 후 생존했음을 시사하며, 향후 이중 중성자별 또는 BH-NS 시스템으로 진화할 수 있음을 암시한다.