[論文レビュー] High-energy gamma-rays in the hard spectral state of Cyg X-1

A. A. Zdziarski, D. Malyshev+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、Fermi-LATデータを用いて、サイグヌスX-1のハード状態および中間状態における高エネルギーγ線放射を確認し、40–80 MeVでソフト過剰を検出。逆コンプトン散乱とは一致しない軌道的変調が示され、シンクロtron自己コンプトン過程を伴うクラスター化したジェットモデルが観測スペクトルおよび変調深さを最もよく説明する。

ABSTRACT

We have obtained a firm detection of Cyg X-1 during its hard and intermediate spectral states in the energy range of 40 MeV--60 GeV based on observations by the Fermi Large Area Telescope, confirming the independent results at $\geq$60MeV of a previous work. The detection significance is $\simeq\!8\sigma$ in the 0.1--10 GeV range. In the soft state, we have found only upper limits on the emission at energies $\gtrsim$0.1 MeV. However, we have found emission with a very soft spectrum in the 40--80 MeV range, not detected previously. This is likely to represent the high-energy cutoff of the high-energy power-law tail observed in the soft state. Similarly, we have detected a $\gamma$-ray soft excess in the hard state, which appears to be of similar origin. We have also confirmed the presence of an orbital modulation of the detected emission in the hard state, expected if the $\gamma$-rays are from Compton upscattering of stellar blackbody photons. However, the observed modulation is significantly weaker than that predicted if the blackbody upscattering were the dominant source of $\gamma$-rays. This argues for a significant contribution from $\gamma$-rays produced by the synchrotron-self-Compton process. We have found that such strong contribution is possible if the jet is strongly clumped. We reproduce the observed hard-state average broad-band spectrum using a self-consistent jet model, taking into account all the relevant emission processes, e$^\pm$ pair absorption, and clumping. This model also reproduces the amplitude of the observed orbital modulation.

研究の動機と目的

• Fermi-LATデータを用いて、サイグヌスX-1のハード状態および中間スペクトル状態における高エネルギーγ線放射を確認・特徴づける。
• 40–80 MeVで観測されたソフトγ線過剰の起源を調査する。これは軟らかく状態では以前に検出されていなかった。
• 星からの光子のコンプトン上昇散乱か、シンクロtron自己コンプトン過程のどちらが高エネルギー放射を支配しているかを特定する。
• 理論的予測に基づくジェット放射メカニズムと観測された軌道的変調深さを一致させる。
• クラスタリング、ペア吸収、複数の放射過程を組み込んだ自己一貫性のあるジェットモデルを構築し、広帯域スペクトルおよび変調を再現する。

提案手法

• サイグヌスX-1のハード状態および中間状態における、Fermi Large Area Telescope (LAT) データの分析を、40 MeV–60 GeVのエネルギー範囲で実施。
• 有意性検定を適用し、0.1–10 GeV範囲で約8σの検出を確認し、軟らかく状態では上限を設定。
• シンクロtron、シンクロtron自己コンプトン、および逆コンプトン過程を含む自己一貫性のあるジェットモデルを用いて、広帯域スペクトルエネルギー分布をモデル化。
• 高エネルギー光子の減衰を説明するため、電子-陽電子ペア吸収効果を組み込む。
• ジェットのクラスタリングを組み込み、シンクロtron自己コンプトン寄与を強化し、観測された変調深さに一致させる。
• 異なる放射メカニズムから予測される軌道的変調振幅を観測データと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイグヌスX-1における40–80 MeVで観測された、以前に検出されていなかったソフトγ線過剰の性質は何か。これは軟らかく状態のスペクトルとどのように関係しているか。
• RQ2 観測された高エネルギーγ線の軌道的変調は、星からの黒体放射光子のコンプトン上昇散乱と一致するか。それとも追加の放射メカニズムを要するか。
• RQ3 クラスター化したジェットにおけるシンクロtron自己コンプトン過程は、観測された広帯域スペクトルおよび軌道的変調の振幅を再現できるか。
• RQ4 電子-陽電子ペア吸収は、サイグヌスX-1の観測された高エネルギースペクトルの形をどのように決定づけるか。
• RQ5 ジェットのクラスタリングは、ハード状態におけるシンクロtron自己コンプトンの全γ線放射に占める相対的寄与にどのように影響するか。

主な発見

• ハード状態および中間状態において、40 MeV–60 GeVのエネルギー範囲でサイグヌスX-1の高エネルギー放射が明確に検出され、0.1–10 GeV範囲で約8σの有意性を示した。
• 40–80 MeV範囲でソフトγ線過剰が検出され、これは軟らかく状態で観測されたパワー則テイルの高エネルギー端に相当する可能性が高い。
• 同様のソフト過剰がハード状態でも確認され、両スペクトル状態における高エネルギー放射の共通の起源を示唆している。
• 観測されたγ線放射の軌道的変調は、純粋な星の黒体放射光子のコンプトン上昇散乱による予測よりも顕著に弱く、このメカニズムが劣勢であることを示している。
• データは、強力にクラスタリングされたジェットにおけるシンクロtron自己コンプトン過程によって最もよく説明され、標準モデルと比較して寄与を強化している。
• クラスタリング、ペア吸収、複数の放射過程を組み込んだ自己一貫性のあるジェットモデルは、観測された広帯域スペクトルおよび軌道的変調の振幅の両方を成功裏に再現した。