[論文レビュー] Broad-band spectral study of LMXB black hole candidate 4U 1957+11 with NuSTAR

Prince Sharma, Rahul Sharma+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、2018年から2019年の間の9回のNuSTAR観測を用いて、低質量X線連星4U 1957+11の広帯域X線スペクトル解析を実施した。源は、多色黒体円盤放射（kTin ≈1.35–1.86 keV）が支配的で、非熱的パワー則成分（Γ ≈2–3）および相対論的に幅広がったFe Kα線を示す軟的で円盤支配的状態にある。距離7 kpc、質量4–6 M⊙の範囲において、中程度のスピン（a ≈0.85）を示すブラックホールが好まられるが、スピンはスペクトル硬化係数と逆相関する。

ABSTRACT

We present here the results of broadband spectral analysis of low-mass X-ray binary and a black hole candidate 4U 1957+11. The source was observed nine times with the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) between 2018 September and 2019 November. During these observations, the spectral state of 4U 1957+11 evolved marginally. The disc dominant spectra are well described with a hot, multicolour disc blackbody with disc temperature varying in the range $kT_{ m in} \sim$ 1.35-1.86 keV and a non-thermal component having a steep slope ($\Gamma =$ 2-3). A broad Fe emission line feature (5-8 keV) was observed in the spectra of all the observations. The relativistic disc model was used to study the effect of distance, inclination, and the black hole mass on its spin. Simulations indicate a higher spin for smaller distances and lower black hole mass. At smaller distances and higher mass, spin is maximum and almost independent of the distance. An inverse correlation exists between the spin and the spectral hardening factor for all the cases. The system prefers a moderate spin of about 0.85 for black hole masses between 4-6 M_sun for a 7 kpc distance.

研究の動機と目的

• 高エネルギーX線データを用いて、恒久的X線連星4U 1957+11の軟的で円盤支配的状態におけるスペクトル的性質を調査すること。
• 相対論的に幅広がったFe Kα線および連続スペクトル成分のモデル化を通じて、ブラックホールスピン、質量、距離、傾斜角を制約すること。
• 複数回の観測にわたるスペクトル成分の変化を分析することで、コンパクト天体の性質に関する曖昧さを解消すること。
• ブラックホールスピン推定値がブラックホール質量、距離、傾斜角、スペクトル硬化係数といった主要物理パラメータにどのように依存するかを評価すること。

提案手法

• 3–50 keVのエネルギー範囲をカバーする9回のNuSTAR観測（2018–2019）の広帯域スペクトルフィッティングを実施した。
• X線連続スペクトルを多色黒体円盤放射（diskbb）と非熱的パワー則成分（phabs*powerlaw）でモデル化した。
• ブラックホールスピンを推定するために、相対論的円盤線モデル（kerrconv*kerrbb）を用いて幅広がったFe Kα線をフィットした。
• スピンをkerrbbモデルを用いて制約し、ブラックホール質量、距離、傾斜角、スペクトル硬化係数を変化させた。
• 主な分析では距離を7 kpc、傾斜角を75°に固定し、パラメータ依存性をテストするために系統的変動を実施した。
• コンプトン化成分を記述するためにThCompモデルを用い、光子指数および散乱率をフィットした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4U 1957+11のブラックホールスピンパラメータは何か？ 仮定されるブラックホール質量および距離に依存するか？
• RQ2 スペクトル硬化係数はブラックホール質量および距離にどのように変化し、スピンとどのような相関関係にあるか？
• RQ3 観測された幅広がったFe Kα線特徴は、回転するブラックホールに起因する相対論的起源を支持するか？
• RQ4 非熱的パワー則成分は、フラックス状態にわたるスペクトル的変化を形作る上で果たす役割は何か？
• RQ5 観測されたスペクトル的傾向は中性子星主星を除外できるか？ ブラックホール性質を支持する証拠は何か？

主な発見

• 観測間で円盤温度（kTin）は1.35 keVから1.86 keVの間で変動し、安定した軟的スペクトル状態を示している。
• 全観測で5–8 keVの幅広がったFe Kα発光線が検出され、内側円盤からの相対論的幅広がりと整合的である。
• スペクトル硬化係数はブラックホールスピンと逆相関し、硬化係数が増加するにつれてスピンが低下する。
• ブラックホール質量が4–6 M⊙、距離が7 kpcの範囲では、スピンが約0.85の中程度の値を示すことが好まれる。
• 質量が6 M⊙を超える場合、距離が7 kpc未満（<7 kpc）になるとスピンは最大値（1に近づく）となり、距離に依存しなくなる。
• 高フラックス状態（エポック6および7）では、非熱的成分が全フラックスの75％に達するため、急勾配パワー則状態へのスペクトル的遷移を示唆している。