[论文解读] Rapid Variability as a Diagnostic of Accretion and Nuclear Burning in Symbiotic Stars and Supersoft X-ray Sources

J. L. Sokoloski|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2002

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 3被引用 3

一句话总结

该论文利用快速光变观测研究联星系统（SS）和超软X射线双星（SSXBs）中的吸积盘与核壳层燃烧，揭示闪烁与振荡分别对应内盘和边界层过程。主要发现包括首次探测到磁性联星系统（Z And），发现吸积盘与喷流形成在CH Cyg和Z And中的关联，以及支持准稳态核燃烧作为大多数联星系统主要能量来源的证据。

ABSTRACT

Accretion disks and nuclear shell burning are present in some symbiotic stars (SS) and probably all supersoft X-ray binaries (SSXBs). Both the disk and burning shell may be involved in the production of dramatic outbursts and, in some cases, collimated jets. A strong magnetic field may also affect the accretion flow and activity in some systems. Rapid-variability studies can probe the interesting region close to the accreting white dwarf (WD) in both SS and SSXBs. I describe fast photometric observations of several individual systems in detail, and review the results of a photometric variability survey of 35 SS. These timing studies reveal the first clearly magnetic SS (Z And), and suggest that an accretion disk is involved in jet production in CH Cyg as well as in the outbursts of both CH Cyg and Z And. They also support the notion that the fundamental power source in most SS is nuclear burning on the surface of a WD, and raise questions about the structure of disks in the SSXBs. Finally, spectroscopic observations of RS Oph reveal minute-time-scale line-strength variations, probably due to a hot boundary layer. Taken together, the rapid timing observations explore the connections between jet-producing WDs and X-ray binaries, as well as SS, SSXBs, and CVs.

研究动机与目标

• 研究吸积盘与核壳层燃烧在驱动联星系统（SS）和超软X射线双星（SSXBs）活动中的作用。
• 确定尽管受到星云发射或再辐射光的遮挡，快速光变是否可诊断白矮星（WD）附近物理过程。
• 在SS中识别磁场，并评估其在盘结构、喷流形成与吸积动力学中的作用。
• 阐明盘面不稳定性、爆发与喷流产生之间的关联。
• 利用测光时序数据区分吸积驱动与核燃烧驱动的变光，特别是在高温组分光度高或低的系统中。

提出的方法

• 对单个SS和SSXBs进行快速测光监测，以检测分钟至小时量级的随机闪烁与相干振荡。
• 利用动力学时间尺度（t_dyn ~ 4 s × (r/10^9 cm)^{3/2} (M_WD/0.6 M_sun)^{-1/2}）与黏滞时间尺度（t_visc ~ 8 hr × (α/0.1)^{-4/5} (Ṁ/10^{-8} M_sun yr^{-1})^{-3/10} (r/10^9 cm)^{5/4}）分析变光 timescales，推断盘结构与吸积率。
• 利用周期性变光推断WD中的磁场，对于B ~ 10^5–10^6 G的磁场，自转平衡周期为数十分钟。
• 将观测到的闪烁振幅与时间尺度与盘闪烁及边界层辐射的理论模型进行比较。
• 将变光模式与光谱特征（如He II线变化）相关联，推断发射区与中心天体的空间关系。
• 对35个SS进行测光变光普查，以评估闪烁与磁场探测率的统计趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在星云遮挡，快速测光变光是否可诊断联星系统中吸积盘结构与磁场？
• RQ2 吸积盘在CH Cyg与Z And中产生喷流与爆发的作用是什么？
• RQ3 准稳态核壳层燃烧的存在如何影响高L_hot系统中盘闪烁的可探测性？
• RQ4 联星系统中磁性白矮星的比例是多少？该比例如何约束白矮星磁场与双星演化理论？
• RQ5 磁性SS与SSXBs中的X射线与光学变光在多大程度上反映相似或不同的物理机制？

主要发现

• 基于其约100分钟的快速、相干测光振荡，Z And被确认为首个明确的磁性联星系统。
• CH Cyg与Z And中的闪烁与内盘变光一致，且在CH Cyg中喷流喷射期间盘面被破坏，表明盘不稳定性与喷流产生之间存在直接关联。
• 低热组分光度系统（L_hot ~ 1–10 L_sun）表现出强烈的闪烁，而高L_hot系统（L_hot ~ 100–1000 L_sun）则无闪烁，表明核燃烧会抑制可观测的盘闪烁。
• RS Oph中He II线变化比连续谱变化领先约10–20分钟，表明He II发射区比连续谱发射区更靠近热白矮星，可能由于存在高温边界层。
• 该普查中磁性白矮星的探测率至少为3%，但这是下限值，因振幅较低；更灵敏的观测需进一步确定真实磁性比例。
• 磁性SS与SSXBs中X射线振荡振幅可能有助于区分吸积驱动与核燃烧驱动的自转调制，为这些系统中壳层燃烧的起源提供洞见。