[論文レビュー] Frequency resolved spectroscopy of Cyg X-1: fast variability of the Fe K_alpha line

M. Revnivtsev, M. Gilfanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、RXTEデータを用いた周波数分解分光法により、サイゲンスX-1のハード状態におけるFe Kα線を分析した。線の等価幅は周波数が上昇するにつれて減少し、~10 Hz以上で半減することが判明した。これは、反射体がコンパクト（~5×10⁸ cm）であるか、または高周波数の変動が反射成分とは幾何的に異なる、内側の降着領域から生じていることを示唆している。

ABSTRACT

We studied the frequency resolved energy spectra of Cyg X--1 during the standard low (hard) spectral state using the data of the Rossi X-Ray Timing Explorer. We found that the relative amplitude of the reflection features -- the iron fluorescent line at ~6.5 keV and the smeared edge above ~7 keV -- decreases with the increasing frequency. In particular we found that the equivalent width of the iron line decreases above ~1 Hz and drops twice at frequency of ~10 Hz. An assumption that such behavior is solely due to a finite light crossing time of the reflecting media, would imply the characteristic size of the reflector ~5E8 cm, corresponding to ~150 Rg for a 10Msun black hole. Alternatively lack of high frequency oscillations of the reflected component may indicate that the short time scale, ~50-100 msec, variations of the primary continuum appear in geometrically different, likely inner, part of the accretion flow and give a rise to a significantly weaker, if any, reflected emission than the longer time scale events.

研究の動機と目的

• サイゲンスX-1のハードスペクトル状態下におけるFe Kα線のエネルギー依存的変動を調査すること。
• 主な連続スペクトルの高周波数変動が反射成分に与える影響を特定すること。
• タイミング・スペクトル解析を用いて、X線反射媒体のサイズと位置を制約すること。
• 観測された周波数依存的線の抑制が、光行時遅れによるものかどうかを検証すること。
• 降着流における高速変動の幾何学的・物理的起源を探索すること。

提案手法

• RXTE/ASMおよびPCAデータに対してエネルギー分解された交差パワー密度関数（CPSD）解析を実施し、周波数依存のパワー スペクトルを抽出した。
• エネルギー分解パワー スペクトルを構築し、周波数帯域ごとにFe Kα線（~6.5 keV付近）およびコンプトンへく（~7 keV付近）の応答を分離した。
• フーリエ周波数ごとのFe Kα線の等価幅を測定し、その変動幅を評価した。
• 高周波数帯で観測された線の振幅低下を用いて、光行時遅れによる特徴的サイズを推定した。
• 相対論的降着円盤における再放射の理論的モデルと観測結果を比較した。
• 反射成分に高周波数モードが観測されないことに起因する、内側降着流の幾何学的構造への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイゲンスX-1におけるFe Kα線の等価幅は、フーリエ周波数にどのように依存するか？
• RQ2 観測された周波数依存的抑制が、反射体の物理的サイズにどのような意味を持つのか？
• RQ3 反射成分に高周波数モードが観測されないのは、光行時遅れによるものか、あるいは主放射源から幾何的に分離された領域によるものか？
• RQ4 ~50–100 msの timescales における主連続スペクトルの変動は、長期間変動よりも顕著に弱い反射放射を生成する領域から生じているのか？
• RQ5 観測された挙動は、コンパクトで相対論的に広がった再放射領域によって説明可能か、それとも別個の内側流の幾何学的構造を必要とするのか？

主な発見

• Fe Kα線の等価幅は周波数が上昇するにつれて減少し、~10 Hz以上で半減した。
• 高周波数帯での反射特徴の抑制は、反射体の特徴的サイズが~5×10⁸ cmであることを示唆しており、10 M☉ブラックホールでは約150重力半径（Rg）に相当する。
• 観測された周波数依存的抑制は、光行時遅れによるものだけでは完全に説明できないため、主X線源と反射体との間に幾何的分離があると示唆される。
• 反射成分に高周波数モードが観測されないことは、主連続スペクトルの短時間スケール変動（~50–100 ms）が、おそらく内側降着流の別個の領域から生じていることを示している。
• データから、内側降着流は長期間変動よりも顕著に弱いか、あるいは全く反射放射を生成しない可能性があると示唆される。
• 結果は、主X線放射と再放射が空間的に分離された領域で発生しており、後者は高速揺らぎに対しては応答が弱いという状況を支持している。