[論文レビュー] Detailed high-energy characteristics of AXP 4U 0142+61 - Multi-year observations with INTEGRAL, RXTE, XMM-Newton and ASCA

P. R. den Hartog, L. Kuiper+5 more|ArXiv.org|Apr 10, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 64被引用数 53

ひとこと要約

本研究では、INTEGRAL、RXTE、XMM-Newton、ASCAを用いた、異常X線パulsar 4U 0142+61の多年にわたる高エネルギーX線観測を実施し、229 keVまで硬めの非熱的スペクトルを明らかにした。スペクトルの折り返し点は約228 keVに位置し、時間的に安定した放射が確認された。位相分解スペクトル解析により、異なるスペクトルを持つ3つの明著なパルス成分が同定され、従来のコンプトン上昇散乱モデルに反する結果が得られ、3次元磁気圏モデルを必要とする安定的で複雑な放射ジオメトリが示唆された。

ABSTRACT

We present detailed spectral and temporal characteristics both in the hard X-ray (>10 keV) and soft X-ray (<10 keV) domains, obtained using data from INTEGRAL, XMM-Newton, ASCA and RXTE. The INTEGRAL time-averaged total spectrum shows a power-law like shape with photon index Gamma = 0.93 +/- 0.06. 4U 0142+61 is detected up to 229 keV and the flux between 20 keV and 229 keV is (15.01 +/- 0.82) x 10^(-11) erg/cm^2/s. Using simultaneously collected data with the spectrometer SPI of INTEGRAL the combined total spectrum yields the first evidence for a spectral break with a peak energy of 228 +65/-41 keV. There is no evidence for significant long-term time variability of the total emission. Pulsed emission is measured with ISGRI up to 160 keV. The 20-160 keV profile shows a broad double-peaked pulse with a 6.2 sigma detection significance. The total pulsed spectrum can be described with a very hard power-law shape with a photon index Γ= 0.40 +/- 0.15. We performed phase-resolved spectroscopy over the total high-energy band (2.8-300 keV) and identify at least three genuinely different pulse components with different spectra. The high level of consistency between the detailed results from the four missions is indicative for a remarkable stable geometry underlying the emission scenario.

研究の動機と目的

• 複数のX線ミッションを用いた、AXP 4U 0142+61の詳細な高エネルギースペクトル的・時間的性質の同定。
• AXPsにおける高エネルギー放射（>10 keV）の起源、特に非熱的放射メカニズムとの関連の解明。
• 長期的な変動性やパルスプロファイルの変化が、放射ジオメトリや物理的プロセスの変化を示唆するかの検証。
• 非熱的放射メカニズム、例えば共鳴コンプトン上昇散乱の理論モデルを、複数の観測エポックおよび高エネルギーデータと照らし合わせて検証。
• 4つの異なるX線望遠鏡（INTEGRAL、RXTE、XMM-Newton、ASCA）間で一貫性のある位相分解スペクトルフレームワークを確立し、明確な放射成分を同定。

提案手法

• 4年間のINTEGRAL/IBIS-ISGRIデータを統合し、229 keVまでパワー則的形状（Γ = 0.93 ± 0.06）を示す時間平均スペクトルを生成。
• INTEGRAL/SPI分光器データを用いて100 keV以上のスペクトル折り返し点を検出し、ピークエネルギーが228⁺⁶⁵₋₄¹ keVである対数放物線関数でモデル化。
• INTEGRAL-ISGRI、RXTE-PCA、XMM-Newton-PN、ASCA-GISの同時位相分解スペクトル解析により、エネルギー帯域にわたるパルスプロファイルとスペクトル成分の比較。
• 複数のミッション（2003–2004年のXMM-Newton観測3回と1999年のASCA観測1回）のパルスプロファイルを統計的に比較し、形態的変化の有無を検出。
• 全高エネルギー帯域（20–160 keV）における位相分解スペクトル解析を実施し、パルス放射に現れる明確なスペクトル成分の同定。
• 非熱的放射メカニズム（高磁場下での共鳴コンプトン上昇散乱など）のモデル化と、観測スペクトルおよびCOMPTELの上限限界との比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4U 0142+61の硬めX線帯（20–229 keV）におけるスペクトル形状と放射度は何か？100 keV以上でスペクトル折り返し点が存在するか？
• RQ2 4年間の観測期間における4U 0142+61の全放射度とスペクトル指数は、どの程度安定しているか？
• RQ3 10 keV未満の軟X線帯域におけるパルスプロファイルは、複数のミッションで一貫しているか？1999年ごろのグルーブの可能性がある時期に、何らかの変化が生じたか？
• RQ4 INTEGRAL-ISGRIによる20–160 keV帯の硬めX線パルスプロファイルは、軟X線パルスと一致するか？これは放射ジオメトリにどのような含意をもたらすか？
• RQ5 観測された硬めX線スペクトルおよび位相分解成分は、共鳴コンプトン上昇散乱モデルで説明可能か？それとも、より複雑な3次元磁気圏構造を必要とするか？

主な発見

• 4U 0142+61の時間平均全スペクトルは、光子指数Γ = 0.93 ± 0.06のパワー則的形状でよく記述され、20 keVから229 keVの間で、(15.01 ± 0.82) × 10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹の放射度を示す。
• 100 keV以上でスペクトル折り返し点が存在する初の証拠が得られ、対数放物線スペクトルのピークエネルギーは228⁺⁶⁵₋₄¹ keVに位置する。
• 全放射度とスペクトル指数は、4年間で有意な長期的変動を示さず、1σの範囲内で17%以内で安定している。
• 160 keVまでパルス放射が検出され、6.2σの有意性を示し、広帯域の二重ピーク型プロファイルを示し、非常に硬めのパルススペクトル（Γ = 0.40 ± 0.15、20–150 keV帯で(2.68 ± 1.34) × 10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹）を示す。
• 位相分解スペクトル解析により、異なるスペクトル形状を持つ少なくとも3つの明確なパルス成分が同定され、複数の放射源またはメカニズムを示唆する。
• 主な硬めX線パルスピークは、軟X線パルスの2つのうちの1つと位相が一致するが、2番目の硬めX線パルスはわずかに位相がずれており、エネルギー依存の放射ジオメトリを示唆する。