[论文解读] Expected disk wind properties evolution along an X-ray Binary outburst

Pierre-Olivier Petrucci, S. Bianchi+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 69被引用 1

一句话总结

本研究利用GX 339-4在2010–2011年爆发期间的RXTE数据，对X射线双星中的热盘风热稳定性进行建模，表明只有当风处于热稳定状态时，Fe XXV和Fe XXVI离子风特征才能被探测到——这发生在软态，而不会出现在硬态，原因在于SED驱动的快速不稳定性。结果表明，风密度在光谱状态转变期间发生变化，可能由中心源X射线辐照在日 timescale 上加热盘面所驱动。

ABSTRACT

Blueshifted X-ray absorption lines (preferentially from Fe XXV and Fe XXVI present in the 6-8 keV range) indicating the presence of massive hot disk winds in Black Hole (BH) X-ray binaries (XrB) are most generally observed during the soft states. It has been recently suggested that the non-detection of such hot wind signatures in the hard states could be due to the thermal instability of the wind in the ionisation domain consistent with Fe XXV and Fe XXVI. Studying the wind thermal stability requires however a very good knowledge of the spectral shape of the ionizing Spectral Energy Distribution (SED). We discuss in this paper the expected evolution of the disk wind properties during an entire outburst by using the RXTE observations of GX 339-4 during its 2010-2011 outburst. While GX 339-4 never showed signatures of a hot wind in the X-rays, the dataset used is optimal to illustrate our purposes. We compute the corresponding stability curves of the wind using the SED obtained with the Jet-Emitting Disk model. We show that the disk wind can transit from stable to unstable states for Fe XXV and Fe XXVI ions on a day time scale. While the absence of wind absorption features in hard states could be explained by this instability, their presence in soft states seems to require changes of the wind properties (e.g. density) during the spectral transitions between hard and soft states. We propose that these changes could be partly due to the variation of heating power release at the accretion disk surface through irradiation by the central X-ray source. The evolution of the disk wind properties discussed in this paper could be confirmed through the daily monitoring of the spectral transition of a high-inclination BH XrB.

研究动机与目标

• 理解为何在X射线双星的软态中能探测到具有Fe XXV和Fe XXVI吸收线的热盘风，而在硬态中无法探测到。
• 研究热不稳定性在硬态期间抑制Fe XXV和Fe XXVI离子域风特征信号的作用。
• 探讨风密度在光谱状态转变期间的变化是否可解释风特征的“开-关”行为。
• 评估中心源X射线辐照对盘风加热和稳定性在状态转变期间的影响。
• 检验风属性在日 timescale 上快速演化的假设，原因在于电离谱能分布（SED）的变化。

提出的方法

• 利用GX 339-4在2010–2011年爆发期间的RXTE/PCA观测，重建了274个覆盖爆发演化的全波段SED。
• 应用Jet-Emitting Disk模型，推导出盘面处的电离SED，同时考虑了盘和喷流成分。
• 使用CLOUDY代码计算风等离子体在电离参数和密度空间中的热稳定性曲线。
• 追踪热稳定性曲线在硬态到软态及软态到硬态转变过程中的演化，以识别热稳定或不稳定的区域。
• 分析SED硬化与风等离子体进入不稳定相（Fe XXV和Fe XXVI离子无法存在）之间的相关性。
• 评估X射线辐照在加热盘面并可能触发风密度在小于一天的时间尺度上快速变化中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何具有热盘风特征的Fe XXV和Fe XXVI吸收线在X射线双星的软态中被探测到，而在硬态中未被探测到？
• RQ2 在X射线双星爆发的光谱状态转变过程中，风等离子体的热稳定性如何演化？
• RQ3 何种物理机制可驱动状态转变期间风密度的快速变化，足以解释风特征的“开-关”行为？
• RQ4 能否将硬态中风特征的缺失归因于Fe XXV和Fe XXVI离子域的热不稳定性？
• RQ5 中心源X射线辐照在小于一天的时间尺度上对风属性的调制程度如何？

主要发现

• GX 339-4的所有硬态观测均表现出Fe XXV和Fe XXVI电离域的热不稳定性，解释了风特征无法被探测到的原因。
• 相比之下，所有软态观测在相同电离域均表现出热稳定性，使得Fe XXV和Fe XXVI吸收线能够存在并被探测到。
• 由于电离SED的变化，特别是在光谱状态转变期间，稳定与不稳定状态之间的转换发生在日 timescale 上。
• 尽管在硬态中风特征未被探测到，但在软态中探测到热风，表明在硬态到软态转变期间风密度迅速增加，可能由盘面X射线辐照加热增强所驱动。
• 在软态到硬态转变期间，X射线谱的硬化迫使风进入热不稳定相，导致Fe XXV和Fe XXVI离子无法存在，从而解释了其在硬态中未被探测到的原因。
• 结果支持一种情景：盘风持续被抛射，但仅在热稳定时可观测，且SED驱动的稳定性转变是决定可观测性的关键调节机制。