[論文レビュー] Determining the spin of two stellar-mass black holes from disk reflection signatures

R. C. Reis, A. C. Fabian+2 more|ArXiv.org|Feb 10, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、XMM-Newton X線データと自己一貫性のある相対論的反射モデル（ディスクブラックボディ放射とコンプトン化を含む）を用いて、2つの恒星質量ブラックホール、SWIFT J1753.5-0127 および GRO J1655-40 のスピンパラメータを決定した。この手法は質量や距離に依存せずスピンを独立して制約できるため、J1753.5-0127 のスピンは $0.76^{+0.11}_{-0.15}$ であり、J1655-40 については $a > 0.90$ の下限が得られ、ディスクのずれの強力な証拠が得られた。

ABSTRACT

We present measurements of the dimensionless spin parameters and inner-disk inclination of two stellar mass black holes. The spin parameter of SWIFT J1753.5-0127 and GRO J1655-40 are estimated by modelling the strong reflection signatures present in their XMM-Newton observations. Using a newly developed, self-consistent reflection model which includes the blackbody radiation of the disk as well as the effect of Comptonisation, blurred with a relativistic line function, we infer the spin parameter of SWIFT J1753.5-0127 to be 0.76 +0.11-0.15. The inclination of this system is estimated at 55+2-7 degrees. For GRO J1655-40 we find that the disk is significantly misaligned to the orbital plane, with an innermost inclination of 30+5-10 degrees. Allowing the inclination to be a free parameter we find a lower limit for the spin of 0.90, this value increases to that of a maximal rotating black hole when the inclination is set to that of the orbital plane of J1655-40. Our technique is independent of the black hole mass and distance, uncertainties in which are among the main contributors to the spin uncertainty in previous works.

研究の動機と目的

• X線反射シグネチャーを用いて、2つの恒星質量ブラックホール、SWIFT J1753.5-0127 および GRO J1655-40 のスピンパラメータを決定すること。
• 従来のスピン測定に悩まされるブラックホール質量および距離の不確実性を克服すること。
• 降着ディスクが内側安定円軌道（ISCO）まで延びているかどうかを、直接的にスピンの指標としてテストすること。
• ISCOでディスクが遮断されていない代替スペクトルモデルの物理的整合性を評価すること。

提案手法

• ディスクブラックボディ放射とコンプトン化効果を含む自己一貫性のある相対論的反射モデル（REFHIDEN）を用いて、XMM-Newton X線スペクトルをモデリングすること。
• 相対論的にぼやける線関数を用いて、ブラックホール近傍のドップラーシフトおよび重力赤方偏移を考慮すること。
• スピンパラメータ、イオン化パラメータ、および傾斜角の範囲で反射特徴を計算するスペクトルグリッド（REFHIDEN）を用いること。
• 観測されたX線スペクトルを、ディスク熱放射成分と反射成分の組み合わせでフィットし、内側ディスク半径およびスピンを制約すること。
• 高イオン化・遮断ディスクを含む競合モデルを、$χ^2$ 統計と物理的整合性の観点から比較して評価すること。
• ディスク幾何学的形状を評価するため、ディスク半厚さと内側半径の比（$t/r$）を計算し、高イオン化・遮断ディスク解の物理的妥当性をテストすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWIFT J1753.5-0127 の次元なしスピンパラメータは何か？ また、その降着ディスクは内側安定円軌道（ISCO）まで延びているか？
• RQ2 GRO J1655-40 のスピンパラメータおよび内側ディスクの傾斜角は何か？ また、ディスクは軌道面に対してずれているか？
• RQ3 高イオン化・遮断ディスクモデルは、ISCOからの放射を必要としなくてもX線スペクトルを説明できるか？
• RQ4 コンプトン化およびディスクブラックボディ放射の組み込みが、スピン測定の物理的整合性をどのように向上させるか？
• RQ5 これらの系で観測された広帯域のFe-Kα線は、相対論的反射によるものか、それとも遮断ディスクにおけるコンプトン幅広化によるものか？

主な発見

• SWIFT J1753.5-0127 のスピンパラメータは90%信頼区間で $0.76^{+0.11}_{-0.15}$ と測定され、急速に回転するブラックホールを示している。
• J1753.5-0127 の内側ディスク傾斜角は $55^{+2}_{-7}$ 度と推定され、中程度に傾いた系と整合的である。
• GRO J1655-40 については、最良のフィットモデルが軌道面に対してディスクがずれていることを要請しており、内側ディスクの傾斜角は $30^{+5}_{-10}$ 度である。
• GRO J1655-40 のスピンは90%信頼区間で下限 $a > 0.90$ に制約され、軌道面とディスクの傾斜角が一致する場合、最大スピン（$a=1$）にまで上昇する。
• 高イオン化・遮断ディスクモデル（$\sim 255\ r_{\rm g}$）は物理的に不一致であり、ディスク厚さと半径比（$t/r$）が1を超えると予測し、薄いディスク仮定に反する。
• 物理的に整合性のある解は、ISCO（$\sim 6\ r_{\rm g}$）までディスクが延びており、イオン化パラメータは低め（$\xi \sim 500\ \rm{erg\ cm^2\ s^{-1}}$）である。この解は、2つの自由度を追加した場合に $\chi^2$ で -7.7 の改善をもたらす。