[论文解读] Modeling the Optical to Ultraviolet Polarimetric Variability from Thomson Scattering in Colliding Wind Binaries

Richard Ignace, Andrew G. Fullard+6 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 56被引用 9

一句话总结

本文通过汤姆孙散射，对碰撞星风双星中的光学至紫外偏振变异性进行建模，结合布朗等人（1978）的广义偏振框架与坎托等人（1996）的半解析激波几何模型。结果表明，偏振受轨道相位和波长强烈调制，尤其在紫外波段因双星组分辐射亮度不同而产生显著色散效应——尤其在WR+OB系统中，偏振在OB星主导辐射的波长处达到峰值。

ABSTRACT

Massive star binaries are critical laboratories for measuring masses and stellar wind mass-loss rates. A major challenge is inferring viewing inclination and extracting information about the colliding wind interaction (CWI) region. Polarimetric variability from electron scattering in the highly ionized winds provides important diagnostic information about system geometry. We combine for the first time the well-known generalized treatment of \citet{brown_polarisation_1978} for variable polarization from binaries with the semi-analytic solution for the geometry and surface density CWI shock interface between the winds based on Canto et al 1996. Our calculations include some simplifications in the form of inverse square-law wind densities and the assumption of axisymmetry, but in so doing arrive at several robust conclusions. One is that when the winds are nearly equal (e.g., O\,+\,O binaries), the polarization has a relatively mild decline with binary separation. Another is that despite Thomson scattering being a gray opacity, the continuum polarization can show chromatic effects at ultraviolet wavelengths but will be mostly constant at longer wavelengths. Finally, when one wind dominates the other, as for example in WR+OB binaries, the polarization is expected to be larger at wavelengths where the OB component is more luminous, and generally smaller at wavelengths where the WR component is more luminous. This behavior arises because from the perspective of the WR star, the distortion of the scattering envelope from spherical is a minor perturbation situated far from the WR star. By contrast, the polarization contribution from the OB star is dominated by the geometry of the CWI shock.

研究动机与目标

• 开发一个统一的理论框架，将轨道运动、星风碰撞几何与大质量双星系统的偏振变异性联系起来。
• 研究星风碰撞区域（CWI）如何影响从光学到紫外波段的连续偏振。
• 量化星风不对称性与光度差异对偏振振幅及色散行为的影响。
• 通过对比模型，区分星风碰撞激波的偏振贡献与非相互作用星风（NIWs）的偏振贡献。
• 评估时间与波长依赖性偏振的可探测性及其作为诊断工具的潜力，用于揭示双星倾角、质量流失率与星风几何结构。

提出的方法

• 将布朗等人（1978）的广义偏振形式化方法拓展至包含双星轨道运动与双星照射变化。
• 整合坎托等人（1996）的轴对称、辐射冷却星风碰撞的半解析激波界面解。
• 假设在星风碰撞区域之前，星风为光学薄、球对称，具有平方反比密度分布与轴对称性。
• 通过加权照射与投影因子，对散射表面元素进行角度积分，计算净偏振。
• 推导出偏振振幅关于轨道相位、波长与系统参数（如质量流失率、光度）的表达式。
• 将星风碰撞区域的偏振与非相互作用星风（NIWs）的偏振进行比较，以分离激波的几何特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 星风碰撞激波的几何结构如何影响大质量双星系统中时间与波长依赖的偏振？
• RQ2 星风碰撞区域对总偏振的相对贡献如何？其随轨道间距的变化趋势如何？
• RQ3 恒星光度与星风性质差异（如WR星与OB星）如何影响色散偏振信号？
• RQ4 尽管汤姆孙散射是灰消光，为何在紫外波段仍会产生波长依赖的偏振？
• RQ5 偏振的轨道调制是否可用于推断观测双星系统的倾角与星风质量流失率？

主要发现

• 对于O+O双星，当两颗星风几乎相等时，由于平面激波几何结构稳定，偏振随轨道间距增加仅轻微下降。
• 尽管汤姆孙散射是灰消光，但连续偏振在紫外波段仍表现出色散效应，这是由于双星照射的波长依赖性所致。
• 在WR+OB双星中，当OB星主导辐射时，偏振更高，因为其散射包层受星风碰撞激波几何强烈调制。
• 当WR星主导光度时，偏振较低，因为其散射包层仅被星风碰撞弱扰动，近似呈球对称。
• OB星的偏振因扭曲的激波几何而显著增强，而WR星的贡献则相对较小且稳定。
• 在等质量系统中，宽间距时星风碰撞区域与非相互作用星风的偏振比达到约1.8，证实了激波对净偏振的强烈影响。