[论文解读] Super-Keplerian Equatorial Outflows in SS 433. Centrifugal Ejection of the Circumbinary Disk

Idel Waisberg, Jason Dexter+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 40被引用 4

一句话总结

利用VLTI/GRAVITY干涉仪，本研究解析了SS 433的近红外Brγ线，揭示了一股具有极高单位角动量的超开普勒型赤道喷流，解释为围绕双星系统的盘面发生离心喷射。该喷流相对于喷流摆动呈逆行，表明双星系统高效地将角动量传递给了盘面，从而解释了延伸的线发射以及射电观测到的赤道结构。

ABSTRACT

The microquasar SS 433 is the only known steady supercritical accretor in the Galaxy. It is well-known for its relativistic baryonic jets, but the system also drives equatorial outflows. These have been routinely detected in radio images, and components associated with a circumbinary disk have also been suggested in optical emission lines. We wish to spatially resolve the regions producing the stationary emission lines of SS 433 to shed light on its circumbinary structure and outflows. With an estimated binary orbit size $\lesssim 0.1 ext{ mas}$, this requires optical interferometry. We use the optical interferometer VLTI+GRAVITY to spatially resolve SS 433 in the near-infrared K band at high spectral resolution ($R\approx 4000$) on three nights in July 2017. The stationary Br$γ$ line is clearly dominated by an extended $\sim 1 ext{ mas} \sim 5 ext{ AU}$ circumbinary structure perpendicular to the jets and with a strong rotation component. The rotation direction is retrograde relative to the jet precession, in accordance with the slaved disk precession model. The structure has a very high specific angular momentum and is too extended to be a stable circumbinary disk in Keplerian rotation; interpreting it as such leads to a very high enclosed mass $M \gtrsim 400 M_{\odot}$. We instead interpret it as the centrifugal ejection of the circumbinary disk, with the implication that there must be an efficient transfer of specific angular momentum from the binary to the disk. We suggest that the equatorial outflows sometimes seen in radio images result from similar episodes of circumbinary disk centrifugal ejection. In addition to the equatorial structure, we find a very extended $\sim 6 ext{ mas} \sim 30 ext{ AU}$ spherical wind component to the Br$γ$ line: the entire binary is engulfed in an optically thin spherical line emission envelope.

研究动机与目标

• 通过空间分辨解析SS 433中静止发射线的起源，以探测其围绕双星的结构与喷流。
• 利用高分辨率干涉测量，确定近红外Brγ线发射的运动学与几何结构。
• 检验延伸发射是否源自开普勒盘，或非开普勒型、离心喷射的结构。
• 研究射电观测到的赤道喷流与近红外线发射结构之间的关联。
• 约束围绕双星区域的包覆质量与角动量，挑战标准开普勒盘模型。

提出的方法

• 在2017年7月的三个夜晚，利用VLTI/GRAVITY在K波段进行高光谱分辨率（R ≈ 4000）的光学干涉测量。
• 在Brγ线范围内进行无模型假设的质心分析，以确定发射组分的空间起源。
• 通过点源（吸积盘+伴星）、赤道盘/喷流以及球形风分量的组合模型拟合数据。
• 利用运动学建模推导赤道结构的旋转速度、位置角与速度弥散度。
• 假设开普勒旋转计算包覆质量，以检验其与观测运动学的一致性。
• 将结果与2016年GRAVITY观测进行比较，评估喷流结构的变异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SS 433中静止Brγ发射的空间起源与运动学结构是什么？
• RQ2 延伸的赤道发射是否与开普勒型围绕双星盘一致，或与非开普勒型喷流一致？
• RQ3 赤道结构的单位角动量是多少？与双星系统的角动量相比如何？
• RQ4 喷流的几何形态与运动学如何与相对论性喷流的摆动相关联？
• RQ5 什么机制驱动具有超开普勒旋转速度的物质喷射？其与射电观测到的赤道喷流有何关联？

主要发现

• Brγ线发射主要由一个约1 mas（~5 AU）的延伸赤道结构主导，该结构垂直于喷流方向，且相对于喷流摆动呈逆行旋转。
• 赤道结构的单位角动量约为双星组分的10倍，排除了稳定开普勒盘的可能性。
• 若将该结构解释为开普勒盘，则需包覆质量高达~400 M☉，这在物理上极不可能，表明其为非开普勒动力学。
• 数据支持围绕双星盘的离心喷射模型，且双星系统高效地将角动量传递至盘面。
• 检测到一个独立的、延伸的球形风分量（~6 mas，~30 AU），负责产生高速线翼（>1000 km/s）。
• 2016年的观测显示为喷流对准的双极喷流，而2017年的数据则显示主导的赤道结构，表明盘面喷射具有周期性特征。