[论文解读] The Hot and Energetic Universe: End points of stellar evolution

C. Motch, J. Wilms+23 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用 20

一句话总结

本文提出，Athena+ X射线天文台将通过实现高吞吐量、高分辨率的X射线谱学，彻底改变对恒星演化终点——白矮星、中子星和黑洞——的研究。它将测量各类双星系统中黑洞的自转速度，探究不同吸积状态下的吸积盘风和吸积物理机制，并通过精确的质量-半径测量约束中子星物态方程。

ABSTRACT

White dwarfs, neutron stars and stellar mass black holes are key laboratories to study matter in most extreme conditions of gravity and magnetic field. The unprecedented effective area of Athena+ will allow us to advance our understanding of emission mechanisms and accretion physics over a wide range of mass accretion rates, starting from lower and sub-luminous quiescent X-ray binaries up to super-Eddington ultra-luminous sources. Athena+ will measure stellar black hole spins in a much higher number of binaries than achievable now, opening the possibility to study how spin varies with black hole history. The high throughput and energy resolution of the X-IFU will be instrumental in establishing how disc wind properties depend on accretion state, in determining wind launching mechanism and in quantifying the impact of the wind induced mass loss on binary evolution and environment. Triggers and high quality optical and radio data originating from large wide field contemporaneous instruments will provide essential complementary information on jet launching mechanisms and on the physics of rotation powered pulsars, for instance. In addition, Athena+ will furnish multiple, independent measurements of the neutron star mass/radius relation in a wide range of environments and conditions so as to constrain the debated equation of state.

研究动机与目标

• 利用Athena+天文台前所未有的有效面积和光谱分辨率，研究白矮星、中子星和恒星级黑洞中的极端物质。
• 在远超当前能力范围的更大样本中测量X射线双星系统中的黑洞自转，从而深入了解黑洞的形成与演化。
• 确定吸积盘风如何依赖于吸积状态，并识别驱动风启动的物理机制。
• 通过在不同环境中进行的多次独立质量-半径测量，约束中子星物态方程。
• 利用多波段触发以及高质量的光学和射电数据，研究喷流形成机制和旋转驱动脉冲星物理。

提出的方法

• 利用Athena+上X-IFU仪器的高吞吐量和高能分辨率，对吸积驱动源进行详细的X射线谱学研究。
• 在从休眠状态到超爱丁顿状态的广泛质量吸积率范围内，开展全波段X射线监测。
• 结合X射线数据与宽视场仪器提供的同时段光学和射电观测，研究喷流和风现象。
• 对中子星系统进行多 epoch 观测，通过热辐射建模高精度测量其质量和半径。
• 应用谱线拟合技术，检测并表征喷流风中吸收线和发射线。
• 采用基于广义相对论展宽铁线和连续谱拟合的自转测量技术，推断黑洞自转参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞自转在不同演化历史和双星系统中如何变化？
• RQ2 驱动吸积盘风启动的物理机制是什么？它们如何依赖于吸积状态？
• RQ3 吸积盘风的性质如何影响质量损失以及X射线双星系统的长期演化？
• RQ4 中子星物态方程是什么？它在不同环境和质量下如何变化？
• RQ5 喷流形成与脉冲星自转驱动辐射如何与X射线吸积状态和光谱变异性相关联？

主要发现

• Athena+将使在远超当前能力范围的更大数量X射线双星系统中测量黑洞自转成为可能，从而支持对自转演化进行统计研究。
• X-IFU的高能分辨率将使在不同吸积状态下精确表征吸积盘风的特性（包括速度、电离度和质量抛射率）成为可能。
• 可在多种独立条件下实现对中子星质量-半径关系的测量，从而对致密物质的物态方程提供强有力约束。
• 该天文台将探测并分析相对论性X射线特征（如展宽的铁线），实现对自转和倾角的精确测量。
• 多波段协同观测将把X射线变异性与喷流活动和脉冲星辐射联系起来，从而改善对喷流启动和自转减慢机制的理解。
• 高有效面积与高光谱分辨率的结合将使探测以往无法观测到的暗弱、亚发光X射线源和极端吸积状态成为可能。