Modeling of Thermal Emission from ULX Pulsar Swift J0243.6+6124 with General Relativistic Radiation MHD Simulations

Abstract

Abstract We perform general relativistic radiation magnetohydrodynamics simulations of super-Eddington accretion flows around a neutron star with a dipole magnetic field for modeling the Galactic ultraluminous X-ray source exhibiting X-ray pulsations, Swift J0243.6+6124. Our simulations show the accretion columns near the magnetic poles, the accretion disk outside the magnetosphere, and the outflows from the disk. It is revealed that the effectively optically thick outflows, consistent with the observed thermal emission at ∼10 7 K, are generated if the mass accretion rate is much higher than the Eddington rate <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>̇</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>Edd</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> and the magnetospheric radius is smaller than the spherization radius. In order to explain the blackbody radius (∼100–500 km) without contradicting the reported spin period (9.8 s) and spin-up rate ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>P</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>̇</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>2.22</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>8</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> ), a mass accretion rate of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>200</mml:mn> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:mn>1200</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>̇</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>Edd</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> is required. Since the thermal emission was detected in two observations with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>P</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>̇</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:math> of −2.22 × 10 −8 s s −1 and −1.75 × 10 −8 s s −1 but not in another with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>P</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>̇</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>6.8</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>9</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> , the surface magnetic field strength of the neutron star in Swift J0243.6+6124 is estimated to be between 3 × 10 11 G and 4 × 10 12 G. From this restricted range of magnetic field strength, the accretion rate would be <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>200</mml:mn> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:mn>500</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>̇</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>Edd</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> when the thermal emission appears and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>60</mml:mn> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:mn>100</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow>

Topics & Concepts