[论文解读] Achromatic late-time variability in thermonuclear X-ray bursts - an accretion disk disrupted by a nova-like shell?

J. J. M. in ’t Zand, D. K. Galloway+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 49被引用 23

一句话总结

该论文提出，2S 0918-549的X射线爆发中，色度无关的晚期光变现象源于超爱丁顿爆发和类似新星的壳层喷射导致吸积盘被破坏后，吸积盘的重新建立。60秒、87%峰峰值振幅的波动——在所有能量 band 中均色度无关——源于辐射压破坏后，不均匀的完全电离盘物质重新吸积时的汤姆孙散射，45秒的延迟可能源于粘性 timescale 或辐射照射阈值。

ABSTRACT

An unusual Eddington-limited thermonuclear X-ray burst was detected from the accreting neutron star in 2S 0918-549 with the Rossi X-ray Timing Explorer. The burst commenced with a brief (40 ms) precursor and maintained near-Eddington fluxes during the initial 77 s. These characteristics are indicative of a nova-like expulsion of a shell from the neutron star surface. Starting 122 s into the burst, the burst shows strong (87 +/- 1% peak-to-peak amplitude) achromatic fluctuations for 60 s. We speculate that the fluctuations are due to Thompson scattering by fully-ionized inhomogeneities in a resettling accretion disk that was disrupted by the effects of super-Eddington fluxes. An expanding shell may be the necessary prerequisite for the fluctuations.

研究动机与目标

• 识别并表征热核X射线爆发晚期衰减阶段中一种新型的色度无关光变现象。
• 研究在2S 0918-549中爆发开始122秒后观测到的强、能量无关波动（87%振幅）的物理起源。
• 确定这些波动是否与超爱丁顿爆发导致的吸积盘破坏及类似新星的壳层喷射有关。
• 评估辐射压、粘性 timescale 和汤姆孙散射在塑造观测到的光变中的作用。
• 评估此类光变是否可用作中子星X射线双星中盘动力学与爆发能量学的诊断工具。

提出的方法

• 分析RXTE对2008年2S 0918-549 X射线爆发的PCA光 light curves，早期阶段时间分辨率为0.1秒，后期衰减阶段为1.0秒。
• 使用谱硬化比分析确认波动阶段的光谱稳定性，支持光变的色度无关性。
• 在0.5毫秒时间分辨率下进行傅里叶功率谱分析，确认无能量依赖调制，排除谐波或准周期振荡（QPO）行为。
• 利用标准α盘模型估算粘性 timescale：$ t_{\rm visc} = 4\tilde{\tau}^{-4/5} M_{1.4}^{8/5} \tilde{\rho}_{16}^{-2/5} (R/R_{\rm g})^{7/5} J(R)^{-2/5} $ 秒，应用于半径为100 km的盘。
• 通过 $ L > 4\tau R^2 c P_{\rm ram} $ 模型化辐射压破坏，其中 $ P_{\rm ram} $ 估计为 $ 5 \times 10^{13} $ dyne cm⁻²，对应 $ L = 2 \times 10^{38} d_{5.4}^2 $ erg s⁻¹。
• 推测由于壳层膨胀和辐射压作用，导致盘膨胀和不均匀性，从而引起X射线的汤姆孙散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 2S 0918-549在X射线爆发开始122秒后观测到的87%峰峰值振幅、色度无关波动的成因是什么？
• RQ2 观测到的光变是否可由超爱丁顿爆发和类似新星的壳层喷射导致的吸积盘破坏后，其重新吸积与不均匀沉积来解释？
• RQ3 从接近爱丁顿阶段结束到光变开始之间存在45秒延迟，其物理原因是什么？何种 timescale 控制了这一延迟？
• RQ4 光变持续时间（66秒）是否与接近爱丁顿阶段的持续时间相关？这对其破坏盘物质的径向范围有何含义？
• RQ5 此类光变是否可在无前驱或超膨胀的爆发中被探测到？若能，这对所提出的机制意味着什么？

主要发现

• 2S 0918-549的爆发具有40毫秒的前驱，并在77秒内维持接近爱丁顿的通量，表明发生了超膨胀和壳层喷射。
• 在爆发开始后122至182秒之间，观测到色度无关的87%峰峰值振幅波动，且在2–60 keV能量范围内无能量依赖性。
• 光变持续60秒，傅里叶分析（0.5毫秒分辨率）确认其非谐波、非准周期性。
• 从接近爱丁顿阶段结束到光变开始的45秒延迟，与半径为100 km的盘的粘性 timescale（60–960秒）一致。
• 光变持续时间与接近爱丁顿阶段的持续时间大致呈线性相关，表明更长的爆发会将盘物质破坏至更大的半径。
• 作者提出，不均匀、完全电离的团块在重新建立的盘中发生汤姆孙散射，是观测到波动的最合理解释。