[论文解读] High Energy Phenomena in Supergiant X-ray Binaries

S. Chaty|arXiv (Cornell University)|May 12, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文報道了INTEGRAL衛星對此前被低估的超巨星大質量X射線雙星（sgXBs）群體的發現，揭示了兩個不同的次類：高吸收、持續風供應的系統，具有長自轉週期和包圍雙星的塵埃包層；以及表現出短暫強烈耀斑的超巨星快速X射線爆發源（SFXTs），其成因為不均勻風暴吸積。該研究確立了這些系統與大質量恆星形成區的關聯，並代表了高能雙星演化中的關鍵演化階段，對伽馬射線發射及致密天體前身星具有重要啟示。

ABSTRACT

The INTEGRAL satellite has revealed a major population of supergiant High Mass X-ray Binaries in our Galaxy, revolutionizing our understanding of binary systems and their evolution. This population, constituted of a compact object orbiting around a massive and luminous supergiant star, exhibits unusual properties, either being extremely absorbed, or showing very short and intense flares. An intensive set of multi-wavelength observations has led us to reveal their nature, and to show that these systems are wind-fed accretors, closely related to massive star-forming regions. In this paper I describe the characteristics of these sources, showing that this newly revealed population is linked to the evolution of gamma-ray emitting massive stars with a compact companion.

研究动机与目标

• 對INTEGRAL衛星探測到的高能源性質與特性進行表徵，特別聚焦於超巨星大質量X射線雙星（sgXBs）。
• 透過識別伴星、測量軌道週期與自轉週期，並評估本征吸收與周圍星際環境，確定這些系統的演化路徑。
• 區分兩種新次類：高吸收、持續風供應的系統，以及具有短暫耀斑的暫時性SFXTs。
• 將這些系統與大質量恆星形成區聯繫起來，並評估其在致密天體雙星形成中的角色，特別是作為引力波源前身星的潛在候選者。

提出的方法

• 利用ESO 3.5m NTT（EMMI、SOFI）與VLT 8m UT3（VISIR）進行多波段觀測，獲取21個INTEGRAL源的光學、近紅外與中紅外測光與光譜資料。
• 對光學、近紅外與中紅外資料進行譜能量分布（SED）擬合，以推導距離、識別伴星，並檢測周圍星際塵埃或氣體成分。
• 分析INTEGRAL的IBIS與SPI儀器所獲X射線光 light curve 與週期性調製，以測量自轉週期與軌道週期，並評估X射線變異性。
• 將觀測到的N_H–P_spin與N_H–P_orb相關性與理論模型比較，以區分sgXBs與BeXBs。
• 利用目標時機（ToO）與訪客模式觀測，捕捉SFXTs中的暫時耀斑，並實現快速後續追蹤。
• 進行族群合成模擬，探討這些系統的演化路徑，特別是其作為共同包層階段前驅的可能角色與致密天體合併的關聯。

实验结果

研究问题

• RQ1 INTEGRAL所揭示的新發現的超巨星大質量X射線雙星群體性質為何？與先前已知的HMXB類別有何差異？
• RQ2 超巨星快速X射線爆發源（SFXTs）所觀測到的極端X射線變異性是由何原因造成？其與雙星系統軌道與風暴結構有何關聯？
• RQ3 部分sgXBs中觀察到的高本征吸收在多大程度上源於包圍雙星系統的致密塵埃包層？此包層如何影響X射線調製？
• RQ4 sgXBs中的軌道參數與吸積幾何結構如何與其X射線光度及譜態相關？
• RQ5 在大質量雙星演化的脈絡下，這些系統具有何種演化意義？特別是作為致密天體合併與引力波源前身星的潛在候選者？

主要发现

• INTEGRAL將已知銀河系超巨星X射線雙星的數量增加三倍，識別出15個具有大質量、高光度早期型伴星的HMXBs。
• 在識別出的15個HMXBs中，有12個為風供應系統，具有長自轉週期（139–5880 s）與4–14天的軌道週期，位於Corbet圖的上部區域。
• 三個源顯示中紅外過量，顯示存在溫度約1000 K的塵埃包層，延伸至雙星系統周圍約10 R*，解釋其高本征吸收。
• 以IGR J17544-2619為代表的SFXT類別表現出持續約1小時的快速X射線耀斑，峰值光度達~10^36 erg s⁻¹，每7–100天重複一次，與不均勻風暴吸積一致。
• 觀測到的N_H–P_spin與N_H–P_orb相關性顯示sgXBs與BeXBs在物理性質上截然不同，sgXBs具有更高吸收與更長自轉週期。
• 族群合成模型表明，這些系統可能代表共同包層演化階段的前驅，與NS/NS或NS/BH合併及短時硬伽馬射線爆發存在潛在關聯。