[论文解读] Conditions for accretion disc formation and observability of wind-accreting X-ray binaries

Ryosuke Hirai, Ilya Mandel|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 108被引用 41

一句话总结

本文通过在密近双星中建模非球对称的线驱动星风，研究了风致供料的高光度X射线双星中吸积盘形成的条件。结果表明，当捐助星填满其洛希瓣超过80%–90%时，双星潮汐力导致的速度降低可使星风聚焦形成吸积流，从而提供足够的角动量以形成吸积盘。该研究预测在此临界阈值处，可观测性出现急剧转变。

ABSTRACT

We explore the effect of anisotropic wind driving on the properties of accretion onto black holes in close binaries. We specifically focus on line-driven winds, which are common in high-mass X-ray binaries. In close binary systems, the tidal force from the companion star can modify the wind structure in two different ways. One is the reduction of wind terminal velocity due to the weaker effective surface gravity. The other is the reduction in mass flux due to gravity darkening. We incorporate these effects into the so-called CAK theory in a simple way and investigate the wind flow around the accretor on the orbital scale. We find that a focused accretion stream is naturally formed when the Roche lobe filling factor is $\gtrsim0.8$-0.9, analogous to that of wind Roche lobe overflow, but only when the velocity reduction is taken into account. The formation of a stream is necessary to bring in sufficient angular momentum to form an accretion disc around the black hole. Gravity darkening effects reduce the amount of accreted angular momentum, but not enough to prevent the formation of a disc. Based on these results, we expect there to be a discrete step in the observability of high-mass X-ray binaries depending on whether the donor Roche lobe filling factor is below or above $\sim$0.8-0.9.

研究动机与目标

• 理解风致供料的高光度X射线双星（HMXBs）中吸积盘形成的物理条件。
• 研究密近双星中的潮汐力如何通过有效重力降低和重力暗化，改变线驱动星风的结构，特别是风速和质量流。
• 确定这些修改是否能促成聚焦吸积流，从而导致吸积盘的形成。
• 识别区分可观测HMXBs（含吸积盘）与不可观测HMXBs（无吸积盘）的洛希瓣填满因子临界阈值。
• 评估该结果对黑洞HMXBs可观测性的影响，特别是在引力波前身体系统背景下的意义。

提出的方法

• 将CAK线驱动星风理论拓展至包含密近双星中的潮汐效应，通过有效重力和重力暗化修改风的加速和质量流。
• 将伴星潮汐场引起的速度降低纳入风结构模型，采用改进的力乘子方法。
• 通过冯·齐佩尔定理引入重力暗化，降低表面重力较低区域（特别是赤道区）的质量流。
• 采用简化的流体动力学模型，计算不同洛希瓣填满因子下到达致密星体的质量率和角动量通量。
• 与标准Bondi-Hoyle-Lyttleton模型对比，以分离各向异性风效应的影响。
• 针对已知黑洞HMXBs（如天鹅座X-1）的典型轨道参数进行数值计算，推导可观测性阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 风致供料的HMXBs中，聚焦吸积流形成的洛希瓣填满因子最小值是多少？
• RQ2 双星伴星的潮汐力如何改变线驱动星风中的风速和质量流结构？
• RQ3 速度降低与重力暗化在多大程度上影响黑洞所吸积的角动量？
• RQ4 仅靠风的各向异性效应是否足以解释像天鹅座X-1这类系统中观测到的吸积盘？
• RQ5 由于吸积盘的形成，HMXBs的可观测性是否在洛希瓣填满因子上存在明显的突变阈值？

主要发现

• 当洛希瓣填满因子超过约0.8–0.9时，由于潮汐场中速度降低的主导作用，聚焦吸积流自然形成。
• 此类吸积流的形成对于向黑洞提供足够角动量以形成吸积盘至关重要。
• 重力暗化虽减少吸积角动量，但不足以在填满因子高于阈值时阻止吸积盘的形成。
• 当同时包含速度降低和重力暗化时，总吸积质量与标准Bondi-Hoyle-Lyttleton模型相近。
• 洛希瓣填满因子低于约0.8的系统不太可能拥有吸积盘，意味着HMXBs的可观测性存在明确的离散转变。
• 该模型预测可观测系统中为前向吸积，与标准风致供料模型预期的后向吸积相反。