[论文解读] Cyg X-3: can the compact object be a black hole?

E. Ergma, Lev R. Yungelson|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 1997

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文利用群体合成模型研究了天蝎座X-3的致密星是否可能为10 M⊙的黑洞。研究发现，虽然超爱丁顿吸积可以解释该系统的高X射线光度和喷流活动，但风吸积所需的短轨道周期（<10小时）在标准演化模型下极为罕见，因此此类系统在银河系中极不可能存在。

ABSTRACT

By means of population synthesis we find that the expected Galactic number of black holes with massive helium star companions is \sim 100 and depends on an assumed threshold for M_{pre-BH}. The overwhelming majority of these systems has orbital periods in excess of 10 hr, with a maximum at \sim 100 hr, while under the Illarionov &amp; Sunyaev (1975) disk formation criteria for accretion from the strong stellar wind of Wolf-Rayet star disk accretion is possible only for orbital periods below \sim 10 hr. However, the number of such short-period systems is vanishingly small. If the accretor in Cyg X-3 is a 10 M_sun black hole, then the accretion rate will be super-Eddington. Super-Eddington accretion may be responsible for the formation of jets in Cyg X-3 and may also support an X-ray luminosity as high as \sim 10^{39} erg/s. From the orbital period distribution for neutron stars with massive helium companions we find that if during the common envelope phase a neutron star accretes at Eddington rate and spins-up to the equilibrium period, then in most systems it acts as a ``propeller'' and accretion from the WR star wind is impossible. For the model with two massive helium stars as an immediate progenitor of Cyg X-3, requirement of accomodation of two WR stars in the post-common-envelope orbit combined with severe mass loss by them prevents formation of BH+WR systems with orbital periods less than several days.

研究动机与目标

• 基于双星演化模型评估天蝎座X-3包含黑洞的可能性。
• 确定天蝎座X-3中观测到的X射线光度和喷流活动是否可由黑洞上的超爱丁顿吸积解释。
• 评估在风吸积所需轨道周期（<10小时）条件下，形成黑洞+沃尔夫-拉叶星双星系统的可行性。
• 研究公共包层演化和质量损失在塑造大质量双星系统轨道周期分布中的作用。
• 检验在脉动星系统中，'螺旋桨效应'是否排除风吸积，从而限制其他致密星候选方案。

提出的方法

• 采用群体合成技术模拟银河系中黑洞+大质量氦星双星的分布。
• 应用Illarionov & Sunyaev (1975)准则，确定在短周期系统中风吸积能否形成吸积盘。
• 评估在不同预黑洞质量阈值（M_pre-BH）下，轨道周期<10小时的黑洞系统预期数量。
• 分析脉动星+大质量氦星双星的轨道周期分布，以推断公共包层阶段的吸积行为。
• 模拟包含两颗大质量氦星的双星系统的演化路径，作为天蝎座X-3的前身星，包括质量损失和公共包层后的约束条件。
• 评估爱丁顿极限吸积和自旋加速对脉动星螺旋桨效应的影响，特别是在风吸积系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中轨道周期低于10小时的黑洞+大质量氦星双星的预期数量是多少？
• RQ2 超爱丁顿吸积能否解释天蝎座X-3中观测到的高X射线光度和喷流活动？
• RQ3 在所需轨道周期约束下，天蝎座X-3中的黑洞是否可能从沃尔夫-拉叶星风中吸积物质？
• RQ4 公共包层阶段及后续质量损失在多大程度上阻碍了短周期黑洞+沃尔夫-拉叶星系统的形成？
• RQ5 在具有大质量氦星伴星的脉动星系统中，螺旋桨效应是否排除了风吸积，从而更支持天蝎座X-3为黑洞起源？

主要发现

• 银河系中黑洞+大质量氦星双星的预期数量约为100个，具体取决于所假设的M_pre-BH阈值。
• 其中绝大多数系统的轨道周期超过10小时，峰值出现在约100小时左右。
• 仅有极少数此类系统具有低于10小时的轨道周期，而根据Illarionov & Sunyaev准则，这正是实现沃尔夫-拉叶星风吸积盘的必要条件。
• 若天蝎座X-3中的致密星为10 M⊙黑洞，则吸积率将处于超爱丁顿状态，可能解释观测到的约10^39 erg/s的X射线光度。
• 由于需在公共包层后轨道中容纳两颗沃尔夫-拉叶星并伴随严重质量损失，形成轨道周期小于数天的黑洞+沃尔夫-拉叶星系统极不可能。
• 在具有大质量氦星伴星的脉动星系统中，爱丁顿极限吸积和自旋加速会导致螺旋桨效应，从而阻止持续的风吸积，进一步削弱了脉动星候选方案。