[論文レビュー] High frequencies in the power spectrum of Cyg X-1 in the hard and soft spectral states

M. Revnivtsev, M. Gilfanov+1 more|ArXiv.org|Jul 7, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、190 ksecのRXTE/PCAデータ（硬い状態）と10 ksec（ソフト状態）を用いて、サイゲンスX-1における高周波数X線変動を分析し、1ミリ秒未塔の時間分解能を達成した。硬い状態では約300 Hzまで顕著なパワーを検出しており、約70 Hzで明確なスペクトル的折り返し（break）を示しており、これはkHz周波数域における降着円盤の物理およびブラックホールスピンモデルに重要な制約をもたらす。

ABSTRACT

We analyzed a large number of RXTE/PCA observations of Cyg X-1 in the hard and soft spectral states with total exposure time of ~190 and ~10 ksec respectively and time resolution better than ~250us in order to investigate its variability down to a few milliseconds time scales. The model of modifications of the power density spectra due to the dead time effect was tested using RXTE observations of an extremely bright source - Sco X-1. The results of these tests demonstrated, that although some problems still remain, for sources like Cyg X-1 (which is an order of magnitude less bright than Sco X-1) present knowledge of the instrument is sufficient to reliably analyze the power spectra in the kHz frequency range. In both spectral states of Cyg X-1 we detected statistically significant variability up to ~150-300 Hz with a fractional rms amplitude above 100 Hz at the level of ~2-3%. The power spectrum in the hard state shows a steepening at frequency of ~40-80 Hz with the power law slope changing from ~1.7 to ~2.3-2.4. In the soft state the slope of power spectrum changes from ~1 to ~2 at the frequency of ~15-20 Hz without any evidence of further steepening up to \~100-150 Hz. These break frequencies represent the highest characteristic frequencies detected in the power density spectrum of Cyg X-1 so far.

研究の動機と目的

• 高時間分解能のRXTE/PCAデータを用いて、サイゲンスX-1におけるX線変動をミリ秒スケールで調査すること。
• ブラックホール降着に関連する特徴的な周波数（例えば、内側安定軌道、光通過時間など）がパワー密度スペクトルに印加されているかどうかを特定すること。
• RXTE/PCAのパワースペクトルがkHz帯で信頼できるかを、機器のデッドタイム効果を補正することで検証すること。
• 特に高周波数域での急激な傾きの変化に注目し、サイゲンスX-1の硬い状態とソフト状態におけるパワースペクトル行動を比較すること。
• 400 Hz以上の周波数帯域における準周期的振動（QPO）および連続スペクトル変動の上限を設定し、コンパクト天体の降着理論モデルを制約すること。

提案手法

• 時間分解能が約122–244 μsのRXTE/PCA観測を、硬い状態で190 ksec、ソフト状態で10 ksec取得した。
• フーリエ解析を用いて光度曲線からパワー密度スペクトル（PDS）を構築し、分数ルート平均二乗（fractional rms）単位に正規化した。
• スコ・X-1で妥当性が確認されたモデルを用いてデッドタイム補正を実施し、源の明るさが低いにもかかわらず、サイゲンスX-1に対しても信頼できる結果が得られることを確認した。
• 個々の時間区間からのPDSを平均化することで信号対雑音比を向上させ、微弱な変動を検出することを可能にした。
• 500–2000 Hzの周波数帯域で、2σの上限をQ=1のQPOの分数ルート平均二乗振幅として設定した。
• PDSのパワー則セグメントにローレンツ型プロファイルをフィットさせ、スペクトル的折り返しの特定と異なる周波数領域における勾配の測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイゲンスX-1の硬い状態およびソフト状態において、有意なX線変動が観測される最高周波数は何か？
• RQ2 サイゲンスX-1のパワースペクトルは、内側降着円盤の光通過時間（約300–500 Hz）付近の周波数で折り返しを示すか？
• RQ3 500 Hz以上の周波数帯域に検出可能な準周期的振動（QPO）は存在するか？これは共鳴モードや相対論的効果を示唆するか？
• RQ4 100 Hz以上の周波数帯域において、硬い状態とソフト状態のPDSのパワー則勾配はどのように異なるか？また、それらは降着流のダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ5 サイゲンスX-1のような源において、機器のデッドタイム効果がkHz帯域の真のパワースペクトルをどの程度歪めるか？

主な発見

• サイゲンスX-1では、硬い状態で約300 Hzまで、ソフト状態で約150 Hzまで有意なX線変動が検出されており、100–400 Hz帯域では分数ルート平均二乗振幅が約2–3%であった。
• 硬い状態では、約70 Hzで顕著なパワースペクトルの折り返しが観測され、この周波数以上でパワー則の勾配が約1.7から約2.3–2.4に急激に傾斜した。
• ソフト状態では、約15–20 Hzでパワー則の勾配が約1から約2に変化し、150 Hzまでにさらに急峻な傾きの変化の兆しなし。
• 500–2000 Hzの周波数帯域で、Q=1のQPOの2σ上限として、分数ルート平均二乗振幅は硬い状態で約2%、ソフト状態で約2.5%であった。
• 400–2000 Hz帯域の全連続スペクトルパワーは、硬い状態で約1%、ソフト状態で約1.7%に制限されており、高周波数域の変動が弱いことが示された。
• スコ・X-1での検証を経て、RXTE/PCAがデッドタイムの影響を受けても、サイゲンスX-1のkHz帯域PDS解析に十分に適していることが確認された。