[論文レビュー] The X-ray Lightcurve of the Supermassive star eta Carinae, 1996--2014

M. F. Corcoran, Kenji Hamaguchi+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ROSAT、RXTE/PCA、Swift/XRTを用いた1996年から2014年までの20年間にわたるエータ・カービナエのX線光度曲線を提示し、系が周期的なX線変動を示す衝突する風の二重星であることを確立した。主な結果として、長期間にわたるX線変動と2014年の長期にわたる最小値の確認がなされ、単純な周期的モデルに挑戦し、この超大質量二重星系における複雑な質量放出ダイナミクスを浮き彫りにした。

ABSTRACT

Eta Carinae is the nearest example of a supermassive, superluminous, unstable star. Mass loss from the system is critical in shaping its circumstellar medium and in determining its ultimate fate. Eta Car currently loses mass via a dense, slow stellar wind and possesses one of the largest mass loss rates known. It is prone to episodes of extreme mass ejection via eruptions from some as-yet unspecified cause; the best examples of this are the large-scale eruptions which occurred in 19th century. Eta Car is a colliding wind binary in which strong variations in X-ray emission and in other wavebands are driven by the violent collision of the wind of eta Car-A and the fast, less dense wind of an otherwise hidden companion star. X-ray variations are the simplest diagnostic we have to study the wind-wind collision and allow us to measure the state of the stellar mass loss from both stars. We present the X-ray lightcurve over the last 20 years from ROSAT observations and monitoring with the Rossi X-ray Timing Explorer and the X-ray Telescope on the Swift satellite. We compare and contrast the behavior of the X-ray emission from the system over that timespan, including surprising variations during the 2014 X-ray minimum.

研究の動機と目的

• 複数ミッションの観測を用いて20年間のエータ・カービナエのX線変動を特徴づけること。
• X線光度曲線解析を通じて、衝突する風の二重星系の軌道的および風のパラメータを特定すること。
• フラレや最小期間の変化を含む、非周期的（長期間的）なX線変動の原因を調査すること。
• 2014年のX線最小値の回復が長引いたことの意味を、風衝突ダイナミクスと質量放出歴に照らして評価すること。
• 系の軌道的進化と、1838年から1843年の大爆発や1890年の小爆発といった歴史的噴出との関連を検討すること。

提案手法

• ROSAT（PSPC）、RXTE/PCA（1996–2011）、Swift/XRT（2009–2015）のX線光度曲線データを統合し、20年間の連続光度曲線を作成した。
• チャンドラ、XMM-Newton、スズァクの高分解能X線スペクトルを統合し、風衝突放射の熱的性質と温度（約4.5 keV）を制約した。
• 位相固定されたX線変動を用いて軌道パラメータを推定した：周期2023日、離心率約0.9、近日点通過は2014年ごろ。
• 風同士の衝突幾何学的構造をモデル化し、伴星の高速風が主星の密度の高い風に空洞を形成し、観測方向に応じてX線放射が変調されることを示した。
• スペクトルフィッティング技術を用いて風の終端速度を測定した：主星（η Car-A）で約500 km s⁻¹、伴星（η Car-B）で約3000 km s⁻¹。
• X線輝度変動を光学および赤外光度曲線と比較し、He I 10830 ÅおよびPa-γ線の変動と関連づけ、X線行動と二重星の軌道位相の関係を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エータ・カービナエのX線輝度変動は、20年間のベースラインにおいて、どのように軌道位相と相関しているか？
• RQ2 光度曲線で観測された非周期的（位相固定でない）X線変動、例えばフラレや最小期間の変化の原因は何か？
• RQ3 2014年のX線最小値は、1998年、2003年、2009年の最小値と比較して、なぜ以前よりも回復が長引いたのか？
• RQ4 伴星に推定される非常に高い風速度（約3000 km s⁻¹）および質量放出率（約10⁻⁵ M☉ yr⁻¹）の起源は何か？
• RQ5 近日点通過が、1838年から1843年の歴史的「大爆発」と1890年の「小爆発」を引き起こした、あるいはその様式を変化させた可能性はあるか？

主な発見

• 1996年から2014年までのX線光度曲線は、エータ・カービナエが、光学的特徴で5.52年周期を示し、2023日の軌道周期を持つ衝突する風の二重星であることを確認した。
• 2014年のX線最小値は、2009年の急速回復と1998年および2003年の遅い低下の間の中間的な長期回復を示し、風ダイナミクスにおける長期間的変化を示唆した。
• X線スペクトル解析により、約4.5 keVの熱プラズマが検出され、これは事前衝突風速度約3000 km s⁻¹に対応し、風同士の衝突領域における衝撃波と整合的であった。
• 伴星（η Car-B）は高い終端風速度（約3000 km s⁻¹）と質量放出率（約10⁻⁵ M☉ yr⁻¹）を示しており、O型星またはOf/WN型星である可能性があるが、直接観測はされていない。
• X線フラレおよび非周期的変動はエータ・カービナエに特徴的であり、風同士の相互作用における不安定性や、時間経過に伴う質量放出率の変化と関連している可能性がある。
• 高い離心率（e ~ 0.9）と長い軌道周期（P ~ 2023日）は、系が「大爆発」の影響を受けて形成された可能性を示唆し、動的放出または二重星相互作用によるものかもしれない。