[论文解读] Formation of wind-captured discs in Supergiant X-ray binaries : consequences for Vela X-1 and Cygnus X-1

I. El Mellah, A. A. C. Sander+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 77被引用 18

一句话总结

本文提出，超巨星X射线双星（SgXBs）中的轨道动力学与辐射冷却可导致从恒星风捕获的物质形成持久的盘状结构，即使在未发生洛希瓣溢出的情况下亦可实现。通过包含引力与X射线电离效应的三维流体动力学模拟，研究发现当风速与轨道速度相当时，流场变得高度不对称，获得净角动量，并在冷却作用下趋于圆形，形成稳定盘状结构——这一机制可解释Vela X-1与Cygnus X-1中观测到的X射线行为。

ABSTRACT

In Supergiant X-ray binaries (SgXB), a compact object captures a fraction of the wind of an O/B supergiant on a close orbit. Proxies exist to evaluate the efficiency of mass and angular momentum accretion but they depend so dramatically on the wind speed that given the current uncertainties, they only set loose constrains. Furthermore, they often bypass the impact of orbital and shock effects on the flow structure. We study the wind dynamics and the angular momentum gained as the flow is accreted. We identify the conditions for the formation of a disc-like structure around the accretor and the observational consequences for SgXB. We use recent results on the wind launching mechanism to compute 3D streamlines, accounting for the gravitational and X-ray ionizing influence of the compact companion on the wind. Once the flow enters the Roche lobe of the accretor, we solve the hydrodynamics equations with cooling. A shocked region forms around the accretor as the flow is beamed. For wind speeds of the order of the orbital speed, the shock is highly asymmetric compared to the axisymmetric bow shock obtained for a purely planar homogeneous flow. With net radiative cooling, the flow always circularizes for wind speeds low enough. Although the donor star does not fill its Roche lobe, the wind can be significantly beamed and bent by the orbital effects. The net angular momentum of the accreted flow is then sufficient to form a persistent disc-like structure. This mechanism could explain the proposed limited outer extension of the accretion disc in Cygnus X-1 and suggests the presence of a disc at the outer rim of the neutron star magnetosphere in Vela X-1, with dramatic consequences on the spinning up of the accretor.

研究动机与目标

• 研究轨道运动与激波动力学如何影响超巨星X射线双星（SgXBs）中的风吸积，特别是当风速与轨道速度相当时的情况。
• 解决经典Bondi-Hoyle-Lyttleton模型的局限性，该模型假设平面轴对称流场，无法解释角动量输运与不对称性。
• 确定风捕获盘形成的条件，特别是在致密星接近超巨星表面的系统（如Vela X-1与Cygnus X-1）中。
• 评估辐射冷却对吸积流圆形化与盘状结构形成的影响。
• 探讨此类盘形成对中子星自转演化及SgXBs中观测到的X射线变异性的影响。

提出的方法

• 采用三维流体动力学模拟，模拟O/B型超巨星的风流，纳入致密伴星的引力与X射线电离力影响。
• 利用第一性原理的风启动模型追踪来自恒星风的流线，考虑非径向加速度与终端速度分布。
• 采用自洽的洛希瓣边界处理方法，以确定流体何时进入致密星引力影响范围。
• 在激波后区域求解包含辐射冷却的流体动力学方程，以评估圆形化与盘状结构形成。
• 采用非轴对称、非定常的数值方法，模拟吸积流的稳态结构，包含激波不对称性。
• 在不同风速与轨道速度比条件下，评估角动量输运与吸积几何形态。

实验结果

研究问题

• RQ1 当风速与轨道速度相当时，SgXBs中风捕获盘在何种条件下形成？
• RQ2 与经典轴对称Bondi-Hoyle-Lyttleton模型相比，轨道效应与X射线电离如何改变吸积流的不对称性与束化特性？
• RQ3 辐射冷却在吸积流圆形化与稳定盘状结构形成过程中起何种作用？
• RQ4 吸积流的净角动量如何影响Vela X-1等系统中持久盘状结构的潜在形成？
• RQ5 此类盘状结构对X射线光度、吸收柱密度与中子星自转演化有何观测后果？

主要发现

• 当风速与轨道速度相当时，激波结构变得高度不对称，显著偏离经典Bondi-Hoyle-Lyttleton模型中的轴对称弓形激波形态。
• 净辐射冷却确保在足够低风速下，吸积流实现圆形化，从而促成持久盘状结构的形成。
• 即使未发生洛希瓣溢出，轨道动力学与弯曲轨迹带来的角动量积累仍可导致盘状结构形成，尤其在Vela X-1等系统中更为显著。
• 在Vela X-1中，若冷却效率较低，厚盘结构可能显著贡献于观测到的吸收柱密度，尤其是在食食阶段。
• Vela X-1中盘状结构的存在可能解释观测到的X射线变异性，且可能与由辐射压力不稳定性驱动的进动机制有关。
• 本研究提出，Cygnus X-1中吸积盘有限外径可能源于此风捕获盘机制，而非标准的RLOF或其他模型。