[論文レビュー] Long Term Variability of Cyg X-1 I. X-ray spectral-temporal correlations in the hard state

K. Pottschmidt, J. Wilms+7 more|ArXiv.org|Feb 13, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 122

ひとこと要約

本研究は、1998年から2001年の間のハード状態におけるサイゲンスX-1の長期的X線変動をRXTEデータを用いて分析し、パワースペクトル密度（PSD）を4つのローレンツ型成分でモデル化している。1998年5月に、第3のローレンツ型成分の振幅が低下する主要な遷移が発生し、これに伴い頻繁な「失敗した状態遷移」が発生した。その特徴としてピーク周波数の上昇、時間遅れの増加、スペクトルのソフトニングが観測された。これは、ローレンツ型成分が降着円盤コロナおよびジェット基部の力学に関連している可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present the long term evolution of the timing properties of the black hole candidate Cygnus X-1 in the 0.002-128 Hz frequency range as monitored from 1998 to 2001 with the RXTE. The hard state power spectral density (PSD) is well modeled as the sum of four Lorentzians, which describe distinct broad noise components. Before 1998 July, Cyg X-1 was in a "quiet" hard state characterized primarily by the first three of these broad Lorentzians. Around 1998 May, this behavior changed: the total fractional rms amplitude decreased, the peak frequencies of the Lorentzians increased, the average time lag slightly increased, and the X-ray spectrum softened. The change in the timing parameters is mainly due to a strong decrease in the amplitude of the third Lorentzian. Since then, an unusually large number of X-ray flares have been observed. During these "failed state transitions", the X-ray power spectrum changes to that of the intermediate state. Modeling this PSD with the four Lorentzians, we find that the first Lorentzian component is suppressed relative to the second and third Lorentzian. Also the frequency-dependent time lags increase significantly. We confirm the interpretation as failed state transitions with observations from the 2001 Jan. and 2001 Oct. soft states. Such behavior suggests that some or all of the Lorentzian components are associated with the accretion disk corona. We discuss the physical interpretation of our results.

研究の動機と目的

• サイゲンスX-1のハード状態における時間的・スペクトル的性質の長期的進化を調査すること。
• パワースペクトル密度（PSD）の時間的変化と、その複雑な構造を特徴付ける物理的メカニズムを特定すること。
• 光曲線で観測された「失敗した状態遷移」の性質を理解し、そのスペクトル-タイミング相関への影響を解明すること。
• PSDに現れる4つのローレンツ型成分が、降着フロー内の物理的構造（例えばコロナやジェット基部）に対応しているかどうかを検証すること。
• フレア発生時のX線時間遅れおよびスペクトルのソフトニングが、降着円盤コロナの幾何学的・力学的変化とどのように関連しているかを解明すること。

提案手法

• 1998年から2001年までの連続的なRXTEモニタリングを活用し、0.002–128 Hz帯の高時間分解能X線光曲線を収集した。
• PSDに4つのローレンツ型関数の和をフィットさせ、広帯域ノイズ成分を別個にモデル化した。
• 時間経過に伴うローレンツ型パラメータ（振幅、ピーク周波数、Q値）の変化を追跡し、状態遷移を特定した。
• X線バンド間のエネルギー依存性のある時間遅れを分析し、変動の伝播メカニズムを解明した。
• X線スペクトルフィッティングから得たスペクトル指数（Γ）とタイミングパラメータを相関させ、物理的整合性を評価した。
• 2001年1月および10月の同時観測データを用いて、フレアがソフト状態への「失敗した状態遷移」として解釈できるかを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイゲンスX-1のPSDは、ハード状態において長期間にわたりどのように変化するか？
• RQ2 1998年に観測された「静穏なハード状態」から、頻繁なフレアを伴う状態への遷移を引き起こす物理的変化は何か？
• RQ3 PSDに現れる4つのローレンツ型成分は物理的に意味を持つものであり、降着フロー内の特定の構造に対応しているか？
• RQ4 フレア発生時におけるX線時間遅れおよびスペクトルのソフトニングは、降着円盤コロナまたはジェット基部の変化とどのように関連しているか？
• RQ5 観測されたタイミング・スペクトル・遅れパラメータ間の相関は、コロナ-ジェット系統一モデルで説明可能か？

主な発見

• 1998年7月以前、サイゲンスX-1はPSDに第1～第3のローレンツ型成分が支配する「静穏なハード状態」にあった。
• 1998年5月に、第3のローレンツ型成分の振幅が著しく低下し、全分数rmsが低下し、ピーク周波数が上昇した。
• 遷移後、平均時間遅れはわずかに増加し、X線スペクトルはソフトニングを示した。これはコロナまたは降着フローの幾何学的構造の変化を示唆している。
• 通常は見られないほど多くのX線フレアが観測され、PSDの変化が中間状態に類似していたことから、「失敗した状態遷移」と分類された。
• これらのフレア中、第1のローレンツ型成分が第2および第3の成分に対して抑制された。これは主たる変動メカニズムの破壊を示唆している。
• フレア発生時、3.2–10 Hz帯における周波数依存性の時間遅れが顕著に増加した。これは、遅れが構造的・拡張的なコロナまたはジェットに沿った伝播によって生成されている可能性を支持する。