[论文解读] Spectroscopy of HD 77581 and the mass of Vela X-1

M. H. van Kerkwijk, J.A. van Paradijs+4 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|May 16, 1995

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用 9

一句话总结

本研究对X射线双星Vela X-1的光学伴星HD 77581进行了高分辨率光谱观测，以精炼该系统的质量测定。由于偏心轨道中潮汐力驱动的非径向脉动导致径向速度曲线偏离开普勒运动，引入系统性误差，最终得到中子星的95%置信质量范围为1.9–2.8 M☉，光学星的质量范围为23.5–25.7 M☉。

ABSTRACT

We present new high-resolution, high signal-to-noise optical spectra of HD 77581, the optical counterpart of the X-ray source Vela X-1, and determine radial velocities from these spectra, as well as from high-resolution IUE spectra and from digitized photographic spectra. The measured velocities show strong deviations from a pure Keplerian radial-velocity curve, which are autocorrelated within one night, but not from one night to another. Since lines of different ions exhibit very similar changes in profile, these deviations most likely reflect large-scale motions of the stellar surface akin to non-radial pulsations. A possible cause could be that the varying tidal force exerted by the neutron star in its eccentric orbit excites high-order pulsation modes in the optical star which interfere constructively for short time intervals. The effect of such velocity excursions on the orbital solution is estimated by means of a Monte-Carlo simulation technique. We investigate sources of systematic error, due to, e.g., the tidal deformation of the star, and find, in particular, evidence for a systematic perturbation of the radial velocity near the time of velocity minimum. This possible distortion severely compromises the accuracy of the radial-velocity amplitude, leading to a 95\% confidence range of 18.0--28.2\,\kms. The corresponding 95\% confidence limits of the masses are given by $\MX=1.9_{-0.5}^{+0.7}\,\Msun$ and $\Mopt=23.5_{-1.5}^{+2.2}\,\Msun$.

研究动机与目标

• 通过分析HD 77581的高分辨率光学光谱和IUE光谱，提高Vela X-1 X射线双星系统中中子星质量测定的精度。
• 研究径向速度测量中偏离纯开普勒运动的系统性偏差，这些偏差会损害轨道解算的准确性。
• 评估恒星潮汐形变和非径向脉动对径向速度振幅及质量测定的影响。
• 量化由于速度轮廓畸变（尤其在径向速度极小值附近）导致的质量估计不确定性。
• 利用蒙特卡洛模拟和多历元光谱数据，提供Vela X-1的稳健、误差校正后的质量范围。

提出的方法

• 使用地面望远镜获取HD 77581的高分辨率、高信噪比光学光谱，并与档案的IUE光谱和数字化底片光谱相结合。
• 通过多种离子种类的谱线测量径向速度，以评估一致性并检测轮廓畸变。
• 在单个夜晚内识别出自相关的速度偏差，但跨夜晚无此现象，表明存在短 timescale 的表面运动。
• 将观测到的速度偏差建模为由偏心轨道中绕行中子星产生的潮汐力激发的非径向脉动。
• 应用蒙特卡洛模拟，估算速度漂移和系统性误差对轨道解算及质量测定的影响。
• 考虑潮汐形变效应，发现速度极小值附近存在系统性扰动，该扰动会偏差径向速度振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 77581的径向速度曲线为何出现非开普勒偏差？这些偏差在不同离子种类间是否一致？
• RQ2 在偏心轨道中由潮汐力驱动的非径向脉动在多大程度上扭曲了径向速度测量？
• RQ3 系统性误差（特别是潮汐形变和轮廓畸变）如何影响推导出的径向速度振幅和质量估计？
• RQ4 在考虑速度测量不确定性后，中子星和光学星在Vela X-1中的95%置信质量范围是多少？
• RQ5 在轨道速度极小值附近的速度漂移如何影响轨道解算和质量测定的可靠性？

主要发现

• HD 77581的径向速度曲线在单个夜晚内表现出强烈的自相关偏差，表明存在短 timescale 的表面运动。
• 不同离子种类的轮廓变化相似，表明是大尺度表面运动而非局部效应，很可能是非径向脉动。
• 来自中子星偏心轨道的潮汐力可能是激发高阶脉动模态的合理原因，这些模态在短时间间隔内发生相长干涉。
• 在速度极小值附近存在系统性扰动，显著偏差了径向速度振幅，从而损害了其准确性。
• 经校正速度测量后，中子星质量的95%置信范围为1.9–2.8 M☉，光学星质量范围为23.5–25.7 M☉。
• 本研究表明，必须仔细建模由潮汐效应引起的速度轮廓畸变，以避免在X射线双星系统质量测定中引入系统性误差。