[論文レビュー] Deep Chandra X-ray Observations of Low Mass X-ray Binary Candidates in the Early-Type Galaxy NGC 4697

G. R. Sivakoff, Andrés Jordán+3 more|ArXiv.org|Jun 3, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、NGC 4697の深宇宙X線観測とハッブル宇宙望遠鏡の画像を用いて、低質量X線連星（LMXB）と球状星団（GC）の関係を調査し、LMXBの輝度関数（LF）を特徴づける。LMXBの発生確率は、衝突率（Γₕ）⁰.⁷⁹⁺⁰.¹⁸₋₀.¹⁵および金属量（Z/Z☉）⁰.⁵⁰⁺⁰.²⁰₋₀.¹⁸に比例し、検出限界で約11%のGCがLMXBを有すると判明。破れたべき乗則型のLFが確認され、初期期銀河における普遍的なLMXB-LF形態は存在しない可能性を示唆する。

ABSTRACT

Chandra X-ray observations routinely resolve tens to hundreds of low-mass X-ray binaries (LMXBs) per galaxy in nearby massive early-type galaxies. These studies have raised important issues regarding the behavior of this population of remnants of the once massive stars in early-type galaxies, namely the connection between LMXBs and globular clusters (GCs) and the nature of the LMXB luminosity function (LF). In this paper, we combine five epochs of Chandra observations and one central field Hubble Space Telescope Advance Camera for Surveys observation of NGC 4697, one of the nearest, optically luminous elliptical (E6) galaxies, to probe the GC-LMXB connection and LMXB-LF down to a detection/completeness limit of (0.6/1.4) x 10^{37} ergs/s. We detect 158 sources, present their luminosities and hardness ratios, and associate 34 LMXBs with GCs. We confirm that GCs with higher encounter rates (Γ_h) and redder colors (higher metallicity Z) are more likely to contain GCs, and find that the expected number of LMXBs per GC is proportional to Γ_h^{0.79+0.18/-0.15} Z^{0.50+0.20/-0.18}, consistent with fainter X-ray sources in Galactic GCs and LMXBs in Virgo early-type galaxies. Approximately 11+/-2% / 8 +/-2% of GCs in NGC 4697 contain an LMXB at the detection/completeness limit. We propose that the larger proportion of metal-rich GCs in NGC 4697 compared to the Milky Way explains why these fractions are much higher than those of the Milky Way at similar luminosities. We confirm that a broken power-law is the best fit to the LMXB-LF, although we cannot rule out a cutoff power-law, and argue that this raises the possibility that there is no universal form for the LMXB-LF in early-type galaxies. We find marginal evidence for different LFs of LMXBs in GCs and the field and different spectra of GC-LMXBs and Field-LMXBs.

研究の動機と目的

• 初期期銀河、特にNGC 4697において、低質量X線連星（LMXB）と球状星団（GC）の関係を調査すること。
• LMXB発生確率が、衝突率（Γₕ）や金属量（Z）といったGCの性質にどのように依存するかを特定すること。
• 検出感度限界0.6–1.4×10³⁷ erg s⁻¹まで、NGC 4697におけるX線輝度関数（LF）を特徴づけること。
• 球状星団内（GC-LMXB）と銀河領域内（Field-LMXB）のLMXBのスペクトル的および輝度的性質を比較すること。
• LMXB-LFが初期期銀河全体で普遍的か、銀河の性質に応じて変化するかを評価すること。

提案手法

• Chandra X線観測を5エポックにわたり合成し、深宇宙露出を得て、0.6–1.4×10³⁷ erg s⁻¹まで検出感度を向上させた。
• ハッブル宇宙望遠鏡のアドバンスド・カメラ・フォー・サーベイズ（ACS）画像を用いて、球状星団（GC）の位置を特定し、X線源とGCを関連づけた。
• LMXBの輝度関数（LF）は、破れたべき乗則型の形でモデル化された。破れ輝度L_bと、明るさ領域と暗さ領域のそれぞれに対応する2つのべき乗則の勾配（α_lとα_h）を含む。
• スペクトルフィッティングはX線エネルギー帯を用い、硬さ比を導出し、ブレムストラール放出と銀河中心吸収（N_H）をモデル化した。吸収量と温度が主なスペクトルパラメータであった。
• 統計的解析により、GC内と領域内のLMXB割合を比較し、GC-LMXBとField-LMXBの間でLFおよびスペクトル的性質の差異を検証した。
• LMXB発生確率がΓₕおよびZに与える依存関係は、べき乗則フィットにより定量化された：期待されるGCあたりのLMXB数 ∝ Γₕ⁰.⁷⁹⁺⁰.¹⁸₋₀.¹⁵ × (Z/Z☉)⁰.⁵⁰⁺⁰.²⁰₋₀.¹⁸。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団内のLMXB発生確率は、その衝突率（Γₕ）および金属量（Z）にどのように依存するか？
• RQ2 NGC 4697におけるLMXB輝度関数（LF）は、破れたべき乗則型か、カットオフべき乗則型のどちらがより適切か？
• RQ3 球状星団内（GC-LMXB）と銀河領域内（Field-LMXB）のLMXB間に顕著なスペクトル的差異があるか？
• RQ4 1.4 M☉の中性子星のEddington限界を超える輝度を持つLMXBは、球状星団に特に偏って存在するか？
• RQ5 NGC 4697におけるLMXB-LFは、初期期銀河全体で普遍的であると見なせるか？

主な発見

• NGC 4697における球状星団あたりのLMXB期待数は、Γₕ⁰.⁷⁹⁺⁰.¹⁸₋₀.¹⁵および（Z/Z☉）⁰.⁵⁰⁺⁰.²⁰₋₀.¹⁸に比例し、動的相互作用および金属量に強く依存していることが示された。
• NGC 4697の球状星団の約11% ± 2%が、検出限界でLMXBを有しており、金属豊富なGCの割合が高いため、銀のへんこう銀河と比較して顕著に高い。
• LMXB輝度関数は、破れたべき乗則型モデルで最もよくフィットされ、破れ輝度は（10.8 ± 2.9）×10³⁷ erg s⁻¹、勾配は明るさ領域でα_l = 0.83 ± 0.52、暗さ領域でα_h = 2.38 ± 0.33であった。
• スペクトル解析により、GC-LMXBはField-LMXBよりも高い温度とより大きな吸収コアを持つことが判明し、3.3σの有意性を示した。これは、異なる降着条件または環境的要因を示唆する。
• やや暗いLMXBは低い吸収コアを持つ傾向にあり、明るいLMXBはわずかな吸収過剰を示すことがあり、これは高い降着率またはより多くの周囲物質に起因する可能性がある。
• スペクトルモデルは軟X線領域の放射を低く見積もっており、低吸収の源では銀河中心N_Hが低下していることから、低エネルギー領域での校正またはモデル化の限界が示唆された。