Type-I X-ray Burst

• irradiation: 어떤 물체가 강한 전자기파를 맞는 것을 뜻하는 용어

---

1. Type-I X-ray burst

• 중성자별 표면에서 나타나는 burst의 일종으로 수 초 동안 $L \sim 10^{38}$ erg/s 급의 X선이 사방으로 쏟아져 나오는 현상

  1.1 Type-I X-ray burst process

• $1.$ 중성자별이 동반성으로부터 H, He가 풍부한 물질을 accretion
• $2.$ 물질이 표면에 얇은 층(두께 수 m 정도)의 degenerate shell로 쌓인다. 중성자별은 중력 가속도가 높기 때문에 degenerate shell의 가장 아래층의 압력과 밀도가 증가하여 온도가 상승한다.
• $3.$ runaway thermonuclear burning (열폭주): 정상적인 별 내부의 핵융합은 thermal / hydrostatic equilibrium 안에서 비교적 안정적으로 일어난다. 그러나 중성자별 표면의 얇은 축적층은 강한 축퇴(degeneracy)와 얇은 껍질 구조 때문에 온도가 조금만 올라가도 핵반응률이 기하급수적으로 증가한다. 이로 인해, 짧은 시간(∼1-10 s)에 엄청난 에너지(∼$10^{39-40}$ erg)를 방출한다.
• $4.$ irradiation의 발생: 중성자별 표면에서 방출된 X선이 accretion disk(내부 디스크 + corona) 에 충돌하여 디스크 가스를 가열하고 (온도, 이온화 상태 변화) 광자흡수/Compton 산란 등으로 이온화(ionize) 시키고 결과적으로 디스크에서 반사 스펙트럼(reflection), soft excess, corona cooling, PR drag 같은 현상이 나타난다.

그림 1.1. 중성자별의 구조

출처: https://www.nature.com/articles/424027a

1.2 PRE(photospheric radius expansion)

• 정의: Type-I X-ray burst 중에 광도(L)가 Eddington 한계에 도달해서 중성자별의 photosphere(광구)가 바깥으로 “부풀어 오르는” 현상
• 형성과정:
• $1.$ Type-I burst가 발생하여 표면 밝기가 Eddington luminosity ($L_\mathrm{Edd}$) 근처까지 상승한다.
• $2.$ 복사압이 중력과 비슷하거나 더 커지면, 중성자별 표면 가까이의 물질이 바깥으로 밀려나면서 photosphere가 팽창한다. 즉, 이러한 현상이 photospheric radius expansion

---

2. Soft excess and Persistent

• X-ray burst 중에 보이는 추가적인 X-ray flux의 기원은 다음의 두 가지로 추정 중이다.
• $1.$ reprocessing of the burst emission
• $2.$ radiation drag로 인한 accretion flow 증가

  2.1 Reprocessing of the burst emission

• reprocessing: 원래 중성자별에서 나온 burst photons가 주변 매질을 한 번 “거쳐서” 다시 나오는 현상
• Burst가 발생하면 중성자별 표면에서 강한 X선 플럭스가 쏟아져 나와서 주변 디스크·코로나를 타격한다. 즉, irradiation 발생.
• 위 과정에서 Burst 광자를 흡수했다가 다시 방출(thermal re-emission) 하거나 Compton 산란으로 에너지를 바꾸어 산란시키거나 photoionized reflection(Fe 라인·soft excess 포함)을 만들어 낸다.
• 이와 같은 현상으로 인해, 관측자 입장에서는 중성자별 blackbody만으로는 설명 안 되는 soft excess 또는 persistent처럼 보이는 추가적인 연속 스펙트럼이 나타난다. 수식으로 나타내면 다음과 같다: \(F_\text{total} \approx F_\text{NS, direct} + F_\text{reprocessed} + F_\text{persistent (진짜 accretion)}\)
• 여기서 burst 전과 비교했을 때, $F_\text{NS, direct}$는 상승하지만 burst blackbody로만 피팅하면 남는 초과분(특히 soft X-ray)이 있다. 이 남는 초과분의 원인은 NS burst 광자 밖에 없다. 따라서 이들이 디스크/코로나에서 “가공(reprocess)”된 결과물이기에 reprocessing이 초과 플럭스의 원인이라고 말할 수 있다.

아래의 그림은 중성자별의 다양한 스펙트럼 곡선을 나타낸다. 가로 축은 keV 단위의 에너지, 세로 축은 임의의 flux 단위를 나타낸다.

• NS blackbody only: 대략 2-3 keV 근처에서 피크를 가지는 전형적인 블랙바디 모양
  • soft excess: 1 keV 이하에서 데이터가 모델보다 위에 있음, 파란 곡선은 기존의 블랙바디 곡선에 온도가 더 낮은(예: kT ~ 0.6 keV) 부가 성분이 포함된 것이다. 물리적으로 디스크가 burst 광자를 받아 재가열/재방출(reprocessing, reflection) 하면서 내는 soft X-ray 성분으로 생각할 수 있다.
  • enhanced persistent: 전체적으로 pre-burst persistent보다 밝은 추가 연속 스펙트럼이 필요함. 이는 초록 곡선으로 나타나는데, 이는 PR(Poynting-Robertson drag) 효과 등으로 인해 실제 부착률이 증가하여 경계층/코로나에서 나오는 accretion emission이 세진 상황을 나타낸다. soft excess와 달리, 저에너지뿐 아니라 전 에너지 대역에서 전체 곡선이 약간 위로 올라감

    2.2 Poynting-Robertson drag에 의한 accretion flow 증가

• 디스크 물질은 별 주변을 공전하면서 동시에 강한 복사장(burst X-ray)에 노출된다.
• 어떤 입자가 공전하면서 광자를 정면으로 맞으면 광자의 운동량에 의해서 입자의 공전 방향에 저항이 생긴다. 그러면 이때, 각운동량을 잃은 디스크 물질은 더 안쪽 궤도로 spiral-in 하게 되고, 결과적으로 중심체로 유입되는 부착률이 일시적으로 증가.

---

3. Burst evolution

• Pre-burst -> burst onset / rise -> burst peak & tail 단계로 진화한다.
• Pre-burst: burst가 시작되기 전, 그냥 평소처럼 accretion에 의한 persistent emission만 보이는 상태를 의미한다.
• burst onset / rise: 수 초 동안 flux가 급격히 상승
• burst peak & tail: 중성자별 표면 blackbody가 아주 밝게 보이고 이후 수 초~수십 초에 걸쳐 서서히 감소

---

4. $f_a$ model

• burst spectrum fitting의 가정: 버스트 동안 persistent emission(원래 있던 accretion 복사) 은 그대로 있고, 그 위에 NS blackbody(버스트) 가 더해진다.
• 하지만 실제 관측에서는 버스트 중에 persistent가 더 밝아진 것처럼 보이는 경우가 많아서, 이를 표현하기 위해 도입한 경험적(phenomenological) 모델이 바로 $f_a$ 모델이다.
• pre-burst에서의 persistent 스펙트럼을 $F_{\text{pers, pre}}(E)$ 라고 할 때, burst 중에는 이를 그대로 쓰는 대신 다음을 사용한다: \(F_{\text{pers}}(E, t) = f_a(t)\,F_{\text{pers, pre}}(E)\)
• 즉, 스펙트럼의 모양은 고정하고 정규화만 $f_a$ 라는 계수로 키우거나 줄이는 방식
• ($f_a = 1$): burst 중에도 persistent 밝기가 변하지 않음
• ($f_a > 1$): burst 동안 persistent가 그만큼 증가(enhanced)
• ($f_a < 1$): 감소(suppressed)

---

5. Reflection fraction

• 버스트(또는 중심 광원)에서 나온 전체 복사 에너지 중에서, 주변의 디스크에 부딪혀서 “반사(reflection)” 형태로 다시 우리에게 보이는 성분이 어느 정도 비율을 차지하는지 나타내는 무차원 비율

---