[論文レビュー] Long Term Variability of Cyg X-1, II. The rms-Flux Relation

T. Gleissner, J. Wilms+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 35被引用数 64

ひとこと要約

本研究では、1996年から2003年までのRXTEデータを用いて、ケプラーX-1における全スペクトル状態（ハード、中間、ソフト）において、線形なrms-フラックス関係が確認された。これは、秒から数か月の timescales において、変動の振幅がフラックスに線形に比例することを示している。非ゼロの切片は、持続的な一定rms成分を示しており、スロープ・切片・平均フラックスの関係がハード状態で基本平面を形成しており、変動成分と非変動成分の2成分モデルが示唆されている。

ABSTRACT

We study the long term evolution of the relationship between the root mean square (rms) variability and flux (the “rms-flux relation”) for the black hole Cygnus X-1 as monitored from 1996 to 2003 with the Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE). We confirm earlier results by [CITE] of a linear relationship between rms and flux in the hard state on time scales >5 s reflecting in its slope the fractional rms variability. We demonstrate the perpetuation of the linear rms-flux relation in the soft and the intermediate state. The existence of a non-zero intercept in the linear rms-flux relation argues for two lightcurve components, for example, one variable and one non-variable component, or a possible constant rms component. The relationship between these two hypothesized components can be described by a fundamental dependence of slope and intercept at time scales <∼10 ksec with long term averages of the flux.

研究の動機と目的

• Cyg X-1におけるrms-フラックス関係の長期的進化を、複数のスペクトル状態にわたり調査すること。
• 短期観測で観測された線形rms-フラックス関係が、長期的（数週間から数年）にわたり成立するかどうかを特定すること。
• rms-フラックス関係における非ゼロ切片の物理的起源、特に一定rms成分の存在を解明すること。
• ハード状態におけるrms-フラックス関係のスロープと切片が、長期平均フラックス⟨F⟩とどのように相関するかを検討すること。
• 機器的効果を考慮した上で、異なるエネルギー帯域および時間スケールにおいてrms-フラックス関係がどの程度頑健であるかを評価すること。

提案手法

• Cyg X-1の全スペクトル状態をカバーする1996年から2003年までのRXTE/PCA光曲線を分析した。
• バッチ処理された光曲線を用いて、秒から数週間の複数の時間スケールにおけるフラックス平均rms変動を計算した。
• rms vs. フラックス関係に線形モデルを適合：rms = k × F + C、ここでkはスロープ、Cはフラックス軸切片である。
• スペクトル依存性を調査するため、エネルギー帯域1–5（2–73.5 keV）を用い、バッファオーバーフローのアーチファクトのため帯域1を除外した。
• ハード状態におけるk-C-⟨F⟩関係をマッピングし、隠れたパラメータとしての⟨F⟩を用いて基本平面を特定した。
• GoodXenonデータを用いて結果を検証し、特に低エネルギー帯域におけるバッファオーバーフローなどの機器的効果を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cyg X-1の全スペクトル状態において、長期モニタリングの間も線形rms-フラックス関係が維持されるか？
• RQ2 rms-フラックス関係における非ゼロ切片（C）の物理的起源は何か？これは一定rms成分を示唆するか？
• RQ3 ハード状態におけるrms-フラックス関係のスロープ（k）と切片（C）は、長期平均フラックス⟨F⟩とどのように相関するか？
• RQ4 異なるエネルギー帯域および時間スケール、特に数週間から数か月の長期変動を含めたrms-フラックス関係は、どの程度頑健か？
• RQ5 PCAの低エネルギー帯域におけるバッファオーバーフローなどの機器的効果は、特に低エネルギー帯域において観測されたrms-フラックス関係にどのように影響するか？

主な発見

• 線形rms-フラックス関係は、秒から数か月の時間スケールにおいて、ハード、中間、ソフトの全スペクトル状態で成立している。
• ハード状態では、スロープkがソフト状態および中間状態よりも急で、帯域2ではk ≈ 0.3–0.4であり、相対的変動率が高いためである。
• ハード状態では切片Cが比較的一定で正であり（帯域2ではC ≈ 0.02–0.03）、2001/2002年のソフト状態では負にまでなるため、支配的な一定rms成分が存在する可能性がある。
• ハード状態では、k-C-⟨F⟩の基本平面が特定され、kとCは相関しており、高値ではデゲネラシーを示し、⟨F⟩がそのデゲネラシーを支配する隠れたパラメータである。
• ハード状態ではF-σ-Γ相関が確認され、スペクトル指数Γはk、C、Clongと強い相関を示さない。
• PCAの低エネルギー帯域（帯域1）におけるバッファオーバーフローは、rms-フラックス関係に人工的な「アーチ型」のずれを引き起こす。この影響は帯域2を用いた解析により緩和された。