[论文解读] Vela X-1 as a laboratory for accretion in High-Mass X-ray Binaries

P. Kretschmar, S. Martínez‐Núñez+8 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

本文以Vela X-1作为研究大质量X射线双星中吸积过程的基准系统，利用多波段观测检验恒星风结构与吸积流的先进模型。结果表明，中子星附近非β律风速剖面显著改变吸积预测结果，挑战了基于简单Bondi-Hoyle模型的先前假设。

ABSTRACT

Vela X-1 is an eclipsing high mass X-ray binary (HMXB) consisting of a 283s accreting X-ray pulsar in a close orbit of 8.964 days around the B0.5Ib supergiant HD77581 at a distance of just 2.4 kpc. The system is considered a prototype of wind-accreting HMXB and it has been used as a baseline in different theoretical or modelling studies. We discuss the observational properties of the system and the use of the observational data as laboratory to test recent developments in modelling the accretion process in High-Mass X-ray Binaries (e.g., Sander et al. 2018; El Mellah et al. 2018), which range from detailed descriptions of the wind acceleration to modelling of the structure of the flow of matter close to the neutron star and its variations.

研究动机与目标

• 利用Vela X-1的系统参数约束良好的特性作为高大质量X射线双星中吸积物理的测试平台。
• 研究偏离标准β律风模型的程度如何影响吸积流与观测到的X射线变异性。
• 将观测到的通量变化与吸收特征与真实的团块状风和吸积柱模型相协调。
• 通过全波段X射线谱学与脉动轮廓分析，改进对吸积柱结构与辐射几何形态的理解。
• 探索多波段诊断手段，包括射电与X射线荧光线，以探测风结构与吸积动力学。

提出的方法

• 利用INTEGRAL与NuSTAR的多历元X射线监测，追踪轨道通量变化与脉动轮廓稳定性。
• 应用流体动力学一致的恒星风模型，并考虑X射线照射效应，推导中子星附近的非β律风速剖面。
• 分析约25 keV与约55 keV处的X射线荧光线及回旋共振散射特征（CRSFs），以推断吸积柱条件。
• 采用对数正态分布建模硬X射线通量，表征短 timescale 变异及其与团块状风结构的关联。
• 结合光学与射电数据（包括ATCA探测）以研究大尺度上的吸积流结构与风团块化。
• 利用全波段谱学约束辐射几何形态，并检验脉动星辐射束中的广义相对论效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星附近的非β律风速剖面在Vela X-1中如何影响吸积率估算？
• RQ2 具有真实团块尺寸的团块状风模型在多大程度上能重现观测到的X射线通量与吸收变化？
• RQ3 Vela X-1中谐频回旋线能量的长期软化现象由何引起，其与吸积态变化有何关联？
• RQ4 在'关态'期间脉动轮廓的变化如何反映吸积柱几何形态与辐射束结构的改变？
• RQ5 多波段数据（X射线、射电、光学）能否联合约束Vela X-1中吸积尾迹与风团块化的结构？

主要发现

• 由于X射线照射效应，中子星附近的风速剖面显著偏离标准β律，表明局地风速低于先前假设值。
• 基于IUE与Chandra HETGS数据推导的恒星风终速范围为600 km/s至1700 km/s，近期分析得到 $v_{\rm \infty} = 700^{+200}_{-100}$ km/s 与 $\dot{M} = 10^{-6.2 \pm 0.2} M_{\odot}/\text{yr}$。
• 短 timescale（分钟至小时）的观测通量变化与简单的一维团块状风模型不一致，要求更复杂的吸积物理机制。
• Vela X-1的脉动平均硬X射线通量服从对数正态分布，表明其随机变异由动态风结构驱动。
• 约25 keV与约55 keV处的回旋共振散射特征显示与通量存在微弱正相关，表明为次临界吸积，谐频线中心能量在约2012年前持续下降。
• 2019年1月的深度观测活动（INTEGRAL与NuSTAR）揭示了复杂的轨道调制与通量变化，尚待完整分析以获得进一步洞见。