[论文解读] Thermal radio emission from novae & symbiotics with the Square Kilometre Array

T. J. O’Brien, M. P. Rupen+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

本文提出，平方公里阵列（SKA）将通过实现对热自由-自由辐射的高灵敏度、多频段射电观测，彻底改变对新星和共生双星的研究。SKA将使我们能够对银河系及大、小麦哲伦云中的这些系统进行统计上完整的普查，精确测量喷出质量、动能和质量损失几何结构，从而检验吸积、新星爆发以及Ia型超新星前身体理论模型。

ABSTRACT

The thermal radio emission of novae during outburst enables us to derive fundamental quantities such as the ejected mass, kinetic energy, and density profile of the ejecta. Recent observations with newly-upgraded facilities such as the VLA and e-MERLIN are just beginning to reveal the incredibly complex processes of mass ejection in novae (ejections appear to often proceed in multiple phases and over prolonged timescales). Symbiotic stars can also exhibit outbursts, which are sometimes accompanied by the expulsion of material in jets. However, unlike novae, the long-term thermal radio emission of symbiotics originates in the wind of the giant secondary star, which is irradiated by the hot white dwarf. The effect of the white dwarf on the giant's wind is strongly time variable, and the physical mechanism driving these variations remains a mystery (possibilities include accretion instabilities and time-variable nuclear burning on the white dwarf's surface). The exquisite sensitivity of SKA1 will enable us to survey novae throughout the Galaxy, unveiling statistically complete populations. With SKA2 it will be possible to carry out similar studies in the Magellanic Clouds. This will enable high-quality tests of the theory behind accretion and mass loss from accreting white dwarfs, with significant implications for determining their possible role as Type Ia supernova progenitors. Observations with SKA1-MID in particular, over a broad range of frequencies, but with emphasis on the higher frequencies, will provide an unparalleled view of the physical processes driving mass ejection and resulting in the diversity of novae, whilst also determining the accretion processes and rates in symbiotic stars.

研究动机与目标

• 通过利用SKA获取新星和共生双星的统计完整样本，克服当前射电巡天不完整且存在偏差的局限性。
• 通过测量来自热射电辐射的喷出质量、动能和密度分布，检验白矮星吸积与喷出的理论模型。
• 借助SKA的灵敏度和动态范围，解决观测到的新星喷出物质质量与理论预测之间长期存在的差异。
• 通过高分辨率成像，研究新星中非热和变温和射电辐射的作用，特别是激波和喷流形成机制。
• 确定接近钱德拉塞卡极限的高质量白矮星在共生系统中的普遍性，为Ia型超新星前身体模型提供关键约束。

提出的方法

• 利用SKA1-MID的高灵敏度和宽频率覆盖范围（尤其在较高频段），追踪新星喷出物自由-自由光球面随时间的变化。
• 通过数百公里基线实现高角分辨率，并利用甚长基线干涉测量（VLBI）技术，对非热成分成像并解析复杂喷出物结构。
• 利用SKA1和SKA2开展深度、大范围的射电巡天，以最小的选择偏差探测银河系及大、小麦哲伦云中的新星。
• 利用宽频带和稳定通带，分离多重光谱成分，检测与吸积不稳定性或喷出事件相关的微弱流量变化。
• 结合射电光曲线与多波段数据（光学、X射线、伽马射线），建模喷出动力学和激波相互作用。
• 对射电观测样本进行群体水平分析，检验关于喷出物质质量分布和重现 timescales 的理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 新星的真实喷出质量与动能分布是什么？与理论预测相比如何？
• RQ2 哪些物理机制驱动了众多新星中观测到的复杂多峰光曲线和非球对称喷出？
• RQ3 白矮星上吸积不稳定性与变异性核燃烧如何影响共生双星的长期变异性？
• RQ4 具有高质量白矮星的新星和共生双星在多大程度上符合Ia型超新星前身体模型？
• RQ5 共生系统中双星周围的物质几何结构与密度分布如何影响质量损失效率与吸积效率？

主要发现

• SKA将首次实现对银河系内新星的统计完整普查，从而支持对喷出特性进行稳健的群体水平分析。
• SKA2将此能力扩展至大、小麦哲伦云，提供完整的河外新星样本，用于对比研究。
• SKA1-MID的高频射电观测将比现有设施更早、更远距离地解析新星的热喷出物。
• SKA的VLBI成像将解析新星中的非热成分（如激波和喷流），从而可直接研究粒子加速与相互作用物理机制。
• 高灵敏度与宽频带的结合将使微弱的流量变化（与吸积不稳定性或喷出事件相关）得以检测。
• SKA将通过提供准确且无偏的测量，解决长期存在的观测新星喷出物质量（通常比模型预测高出一个数量级）的差异问题。