[论文解读] Nature, formation and evolution of High Mass X-ray Binaries

S. Chaty|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 4被引用 5

一句话总结

本综述综合了高光度X射线双星（HMXBs）在观测与理论方面的进展，重点关注三类系统：Be型HMXBs、风吸积超巨星HMXBs（sgHMXBs）以及洛希瓣溢流系统。基于INTEGRAL与多波段数据，研究揭示了一类被遮蔽的、持续存在的sgHMXBs及SFXTs隐藏种群，其行为与团块状星风吸积及瞬变吸积盘形成密切相关，显著提升了对HMXB演化与吸积物理机制的理解。

ABSTRACT

The aim of this review is to describe the nature, formation and evolution of the three kinds of high mass X-ray binary (HMXB) population: i. systems hosting Be stars (BeHMXBs), ii. systems accreting the stellar wind of supergiant stars (sgHMXBs), and iii. supergiant stars overflowing their Roche lobe. There are now many new observations, from the high-energy side (mainly from the INTEGRAL satellite), complemented by multi-wavelength observations (mainly in the optical, near and mid-infrared from ESO facilities), showing that a new population of supergiant HMXBs has been recently revealed. New observations also suggest the existence of evolutionary links between Be and stellar wind accreting supergiant X-ray binaries. I describe here the observational facts about the different categories of HMXBs, discuss the different models of accretion in these sources (e.g. transitory accretion disc versus clumpy winds), show the evidences of a link between different kinds of HMXBs, and finally compare observations with population synthesis models.

研究动机与目标

• 表征高光度X射线双星（HMXBs）在三种不同亚型中的本质、形成机制及演化路径：BeHMXBs、风吸积超巨星HMXBs（sgHMXBs）以及洛希瓣溢流系统。
• 调查BeHMXBs与sgHMXBs之间通过吸积机制与演化路径所建立的观测证据联系。
• 评估多波段观测（尤其是来自INTEGRAL、ESO设施及光学/红外数据）对精炼HMXB种群模型的影响。
• 评估星风团块性与瞬变吸积盘在解释SFXTs与被遮蔽sgHMXBs中X射线耀发中的作用。
• 将观测约束与星族合成模型进行比较，以改进HMXB形成率与演化终点的预测。

提出的方法

• 分析来自INTEGRAL（X射线）、ESO望远镜（光学、近红外与中红外）及档案巡天的多波段数据，以识别并表征HMXB种群。
• 应用吸积模型（如Bondi-Hoyle-Littleton模型与团块状星风吸积模型）解释BeHMXBs与SFXTs中瞬态X射线爆发与耀发的成因。
• 利用Hα发射线宽度与红外过量作为BeHMXBs中去cretion盘大小与质量损失的示踪指标。
• 将X射线光度、自转周期（Pspin ~1 ks）与柱密度（NH）相关联，以识别被遮蔽的、持续存在的sgHMXBs与SFXTs。
• 将观测到的HMXB分布特征（如光谱型、轨道周期、距离）与星族合成模型进行比较，以推断初始条件与演化约束。
• 评估超新星形成冲量与角动量损失在塑造HMXB系统轨道与质量分布中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 BeHMXBs与风吸积sgHMXBs之间存在哪些观测与物理联系？这些联系如何揭示HMXB的演化机制？
• RQ2 星风团块性如何解释SFXTs中观测到的短暂而强烈的X射线耀发，以及部分sgHMXBs的瞬变行为？
• RQ3 星周去cretion盘在调节BeHMXBs中吸积过程中的作用是什么？其特性与X射线爆发类型之间有何关联？
• RQ4 新发现的被遮蔽的、持续存在的sgHMXBs（具有高NH与长Pspin）的特性，如何约束吸积与双星演化模型？
• RQ5 星族合成模型在多大程度上能再现银河系中观测到的HMXB分布？尚需哪些改进？

主要发现

• INTEGRAL将已知银河系超巨星HMXBs的数量提高了四倍，揭示了一类此前未知的被遮蔽的、持续存在的源，其具有高柱密度（NH）与长自转周期（~1 ks）。
• INTEGRAL识别出一类新的瞬变源——超巨星快X射线暂现源（SFXTs），其特征为每~100天出现一次短暂而强烈的耀发（峰值通量~1 Crab，持续时间1–100秒），其成因可由团块状星风吸积解释。
• 许多新发现的sgHMXBs深嵌于致密星风中，形成尘埃包层，将双星系统完全包裹，导致强烈的本征吸收。
• BeHMXBs中Hα发射线宽度与去cretion盘大小之间的观测相关性支持星周盘的存在，其中HMXB中的Be星质量峰值为B0 V（~16 M☉），光谱型范围从O9 V至B2 V。
• SFXTs与被遮蔽sgHMXBs的存在表明，HMXBs中的吸积过程通常具有高度变异性，主要由周期性、团块状供料主导，而非稳定星风吸积。
• 星族合成模型表明，宽轨道sgHMXBs（Porb ~100天）很可能起源于初始轨道周期约10天的系统，暗示其在共同包层阶段得以幸存，未来可能演化为双中子星或黑洞-中子星系统。