[論文レビュー] A study of spectral and timing properties of Cyg X-1 based on a large sample of pointed RXTE observations

Marek Gierliński, A. A. Zdziarski+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、700件以上のRXTEポイント観測を用いて、スペクトルフィッティングにハイブリッドコンプトン化モデル、パワースペクトルにはマルチローレンツ関数を適用し、スペクトル状態、コンプトン化増幅、リフレクション強度、変動 timescales 間の強い相関を明らかにした。主な発見は、硬い状態では降着レートの変化が変動メカニズムを支配するが、中間状態では変動する放射照射、軟らかい状態ではコロナの散逸が支配的であることであり、これは断片的な円盤と高温コロナモデルが状態に応じて進化する幾何学的構造を支持する。

ABSTRACT

We study a large sample of RXTE PCA/HEXTE observations of Cyg X-1. We characterize the spectra by soft and hard X-ray colours (which define the spectral states), and fit them with a physical model of hybrid, thermal/non-thermal Comptonization. We then fit the power spectra by a sum of Lorentzians. We show the resulting correlations between the spectral colour (defining the hard, intermediate and soft spectral states), the Comptonization amplification factor, the fractional Compton reflection strength, and the peak frequency of the Lorentzians. We also calculate the fractional variability (rms) as a function of photon energy. We fit the obtained rms dependencies by physical models of varying accretion rate, a varying soft-photon input from an outer disc to a hot inner plasma, and a varying dissipation rate in a hot corona above a disc.

研究の動機と目的

• 700件以上のRXTEデータを用いて、シーガンX-1の全状態にわたるスペクトル的・時間的挙動を同定すること。
• スペクトル状態遷移をコンプトン化増幅やリフレクション強度といった物理的パラメータと関連付けること。
• 異なるスペクトル状態における主な変動メカニズム（降着レート、放射照射、コロナ散逸）を特定すること。
• 断片的な円盤と高温コロナモデルが観測されたスペクトル-時間相関と整合しているかどうかを検証すること。

提案手法

• xspecを用いたスペクトルフィッティングにおいて、ソフト（円盤）およびハード（プラズマ）コンパクトネスをパrameter化したハイブリッドコンプトン化（eqpair）モデルを用い、コンプトン化増幅係数 ℓh/ℓs を主なスペクトル状態指標とする。
• パワースペクトル密度関数にローレンツ関数の和をフィットさせ、ピーク周波数と半値全幅を抽出する。
• エネルギー依存の分顔回帰（rms）の計算と、3つの物理的変動パターン（降着レートの変化、ソフト光子入射の変化、コロナ散逸の変化）を用いたrms(E)のモデリング。
• 4–6.4 keVおよび9.7–16 keVのフラックス比を用いた色-色図を用いてスペクトル状態パラメータを定義し、硬い状態（0）から軟らかい状態（1）へとマッピングする。
• 全スペクトル状態をカバーする33件の代表的観測を抽出し、詳細なスペクトル的・時間的分析を実施する。
• RXTE PCAおよびHEXTEデータを用い、吸収補正済みフラックスおよびエネルギー分解光曲線を用いてrms分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シーガンX-1の硬い状態、中間状態、軟らかい状態において、コンプトン化増幅係数と分顔回帰強度はどのように変化するか？
• RQ2 パワースペクトルのローレンツ関数成分のピーク周波数 f1 とスペクトル状態の関係は何か？
• RQ3 各スペクトル状態におけるエネルギー依存の変動（rms）を支配する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 シーガンX-1のスペクトル的・時間的性質は、断片的な円盤と高温コロナモデルを支持するか、あるいは挑戦するか？
• RQ5 なぜシーガンX-1では通常見られないほど強いリフレクション（R > 0.22）を示す高rmsの軟らかい状態が観測されるのか、他のブラックホール連星とはどのように異なるのか？

主な発見

• コンプトン化増幅係数 ℓh/ℓs は硬い状態から軟らかい状態へと単調に減少し、硬い／中間状態では ℓh/ℓs ≳ 1、軟らかい状態では ℓh/ℓs ≲ 1 となる。
• ピーク周波数 f1 の主なローレンツ関数とコンプトン化増幅係数の間に強い相関が確認され、ℓh/ℓs ∝ f1−3/2 となる。
• 分顔回帰（rms）は硬い状態から中間状態へ向かって減少するが、最も軟らかい状態では再び増加する。エネルギー依存のrmsプロファイルは、それぞれ一定、減少、増加の傾向を示す。
• 硬い状態のrmsは、幾何学的構造が一定の状態での降着レートの変化によって最もよく説明され、中間状態のrmsはソフト円盤光子によるホットフローの放射照射の変動（ℓsの変化、ℓhの一定）によって説明され、軟らかい状態のrmsは安定した円盤上に存在する高温コロナ内の散逸の変動（ℓhの変化、ℓsの一定）によって説明される。
• 強力なリフレクション（R > 0.22）を示す特異な高rmsの軟らかい状態が同定され、これは他のブラックホール連星では一般的に観測されないものであり、特異なコロナまたは円盤ダイナミクスを示唆する。
• 全体的なスペクトル-時間的挙動は、断片的な円盤と高温コロナモデルを支持しており、円盤は硬い状態では大きな半径から、軟らかい状態では内側安定軌道近くへと内側に移動する。