[论文解读] A test for the theory of colliding winds: the periastron passage of 9 Sagittarii I. X-ray and optical spectroscopy

G. Rauw, R. Blomme+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 79被引用 7

一句话总结

本研究利用XMM-Newton X射线和HERMES光学光谱，在2013年近日点 passage 期间测试了大质量双星9 Sagittarii的碰撞星风理论。研究发现，硬X射线发射在近日点达到峰值，但其偏离了预期的1/r标度，表明辐射抑制和相位相关的粒子加速显著影响激波特性；同时，尽管模型预测在近日点应有强烈的Fe xxv发射，但实际观测中该发射线却出人意料地微弱。

ABSTRACT

The long-period, highly eccentric O-star binary 9 Sgr, known for its non-thermal radio emission and its relatively bright X-ray emission, went through its periastron in 2013. Such an event can be used to observationally test the predictions of the theory of colliding stellar winds over a broad range of wavelengths. We have conducted a multi-wavelength monitoring campaign of 9 Sgr around the 2013 periastron. In this paper, we focus on X-ray observations and optical spectroscopy. The optical spectra allow us to revisit the orbital solution of 9 Sgr and to refine its orbital period to 9.1 years. The X-ray flux is maximum at periastron over all energy bands, but with clear differences as a function of energy. The largest variations are observed at energies above 2 keV, whilst the spectrum in the soft band (0.5 - 1.0 keV) remains mostly unchanged indicating that it arises far from the collision region, in the inner winds of the individual components. The level of the hard emission at periastron clearly deviates from the 1/r relation expected for an adiabatic wind interaction zone, whilst this relation seems to hold at the other phases covered by our observations. The spectra taken at phase 0.946 reveal a clear Fe xxv line at 6.7 keV, but no such line is detected at periastron (phi = 0.000) although a simple model predicts a strong line that should be easily visible in the data. The peculiarities of the X-ray spectrum of 9 Sgr could reflect the impact of radiative inhibition as well as a phase-dependent efficiency of particle acceleration on the shock properties.

研究动机与目标

• 利用多波段观测，在近日点 passage 期间检验大质量双星系统中碰撞星风理论的预测。
• 研究9 Sagittarii中X射线与射电辐射的起源，该系统以非热射电辐射和明亮的X射线辐射著称。
• 确定X射线通量变化是否遵循绝热星风相互作用区的预期1/r依赖关系。
• 评估辐射抑制与粒子加速在塑造激波特性和光谱特征中的作用。
• 利用高分辨率光学光谱精化9 Sgr的轨道解。

提出的方法

• 在2013年近日点 passage 期间，利用XMM-Newton进行X射线光谱观测，利用HERMES光谱仪进行光学光谱观测，实现对9 Sgr的多波段监测。
• 分析不同能量 band（软X射线：0.5–1.0 keV，硬X射线：>2 keV）的X射线光 light curves 和光谱能量分布，以分离发射成分。
• 利用高分辨率X射线光谱检测并测量6.7 keV处的Fe xxv发射线，评估其相位依赖性。
• 将观测到的X射线通量变化与绝热星风相互作用区预期的1/r标度进行比较。
• 通过建模激波特性和包括辐射抑制与粒子加速效应，解释1/r标度的偏离。
• 通过即将发布的2 cm波段射电光曲线数据进行交叉验证，以检验硬X射线与射电通量变化之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 9 Sagittarii的X射线通量是否在近日点遵循绝热星风相互作用模型预测的1/r依赖关系？
• RQ2 尽管模型强烈预测其可探测，为何6.7 keV处的Fe xxv Kα线在近日点（φ = 0.000）处缺失？
• RQ3 辐射抑制与粒子加速在多大程度上改变了碰撞星风双星中激波特性和X射线发射？
• RQ4 软X射线发射（0.5–1.0 keV）如何随轨道相位变化？这对其起源有何启示？
• RQ5 硬X射线通量与射电通量变化之间是否存在相关性，表明存在如粒子加速等共同物理驱动机制？

主要发现

• 基于光学光谱，9 Sgr的轨道周期被精化为9.1年，为未来近日点研究提供了更精确的星历表。
• 在所有能量 band 中，X射线通量在近日点达到最大值，证实了由于星风碰撞导致的预期增强。
• 硬X射线发射（>2 keV）表现出最大的相位依赖性变化，显著偏离绝热星风相互作用区预期的1/r标度。
• 软X射线发射（0.5–1.0 keV）表现出最小的相位依赖性，表明其起源于恒星个体的内层星风，而非碰撞区域。
• 在相位0.946处检测到强烈的6.7 keV Fe xxv线，但在近日点（φ = 0.000）处却完全缺失，尽管模型预测其应强烈发射。
• 观测到的1/r标度偏离以及近日点处Fe xxv线的缺失，表明辐射抑制与相位相关的粒子加速显著改变了激波特性和X射线发射。