[論文レビュー] Magnetic Field Measurement in Black Hole X-Ray Binary Cygnus X-1

E. A. Karitskaya, N. G. Bochkarev+6 more|ArXiv.org|Aug 19, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、VLT FORS1分光偏光法を用いて、ブラックホールX線連星Cygnus X-1の降着円盤における磁場の初の直接検出を報告する。O超巨星成分では約130 Gの縦磁場を6σの有意水準で測定し、外側降着構造では約600 Gを4σで検出。これは、磁場エネルギーの散逸によるX線ミリ秒フレッカリングの磁場起源を支持する。

ABSTRACT

X-ray binary Cygnus X-1 is microquasar containing historically first candidate to black hole. Paradigm of magnetic disc accretion dominates in theoretical models describing processes taking place in objects containing black holes such as microquasars and active galactic nuclei. Nevertheless up to now there were no reliable measurements of magnetic fields in these systems. The first prediction of the Cyg X-1 magnetic field was done by V.F.Shvartsman. He wrote that Cyg X-1 X-ray emission millisecond flickering evidences the presence of a black hole and points to the magnetic field role in accretion onto a black hole. From that times there were many of attempts to search for the Cyg X-1 magnetic field but all of these efforts indicated upper limits only. Our VLT FORS1 2007 and 2008 observations revealed a presence of a magnetic field in the system. For the first time we obtained on the level of 6 standard deviations a magnetic field of the order of 130 G on the surface of the Cyg X-1 optical component (O-supergiant) and observational estimation on a 4 sigma level of a magnetic field on a outer part of accretion structure (about 600 G) in accordance with theoretical prediction. Scaling this field value to black hole vicinity we showed that the field is strong enough to explain the X-ray millisecond flickering and can explain it. Our result presents the first direct determination of magnetic field in accreting disk around a black hole.

研究の動機と目的

• Cygnus X-1、すなわち代表的なブラックホールX線連星における降着円盤内の磁場を直接測定すること。
• 理論的予測である、降着構造内の磁場がX線ミリ秒フレッカリングを説明できるかを検証すること。
• 高感度分光偏光法を用いて、O超巨星成分の光球面および外側降着構造における磁場強度を特定すること。
• 磁場がブラックホール系における降着ダイナミクスおよびエネルギー散逸をどのように支配するかを評価すること。
• 理論的モデル（例：磁場結合モデル）を検証する基準となる、ブラックホール降着円盤における磁場強度のベンチマークを確立すること。

提案手法

• 2007年および2008年の13夜にわたり、VLT FORS1分光計（R = 4000、S/N = 1500–3500）を用いて分光偏光観測を実施した。
• 縦磁場⟨Bz⟩は、ゼーマン効果に基づき、V/IとXの線形回帰の勾配から導出された。ここで、X = -4.67×10⁻¹³ × g_eff × ⟨Bz⟩ × λ² × (1/I) × dI/dλ である。
• すべての測定において、有効ラント因子g_effは1.07と仮定した。
• ヘリウムII λ4686線の2次元速度構造を再構築するために、電波天文学的手法（RA）を用いたドッパー断層法を適用した。これにより、L1近辺および外側降着構造における発光領域が特定された。
• 観測された全スペクトル線の統計的平均化により、微弱な円偏光信号に対する感度が向上した。
• 理論的モデル（シャクーラ＝スニャエフ円盤モデルおよび等エネルギー仮定）を用いて、磁場強度をブラックホール周辺にスケーリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cygnus X-1の降着円盤に検出可能な磁場は存在するか？その強度はいかほどか？
• RQ2 測定された磁場は、Cygnus X-1で観測されたX線ミリ秒フレッカリングを説明できるか？
• RQ3 磁場強度は軌道位相に応じてどのように変化するか？これは降着流ダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ4 外側降着構造における磁場強度は、圧縮およびフラックスフリージングに基づく理論的予測と一致するか？
• RQ5 R ≈ 30×Rgにおける磁場エネルギーフラックスはどの程度か？また、X線フレッカリング成分の輝度を超えるか？

主な発見

• 2007年、軌道位相φ ≈ 0.4で、O超巨星成分の光球面に⟨Bz⟩ = 101 ± 18 Gの縦磁場が検出され、有意水準は5.5σであった。
• 2008年、軌道位相φ ≈ 0.43で、外側降着構造における磁場強度は⟨Bz⟩ = 449 ± 112 Gと測定され、有意水準は4.0σであった。
• 外側円盤における磁場強度は約600 Gに達し、外縁部におけるガス圧縮による磁場増幅の理論的予測と整合的である。
• R ≈ 30×Rgにおける測定磁場エネルギーフラックスは約10³⁷ erg/sであり、X線フレッカリング成分の輝度（0.5–1×10³⁷ erg/s）と一致またはそれを上回っている。
• ブラックホールの磁気モーメントは約10³⁰ G·cm³と推定され、Cygnus X-1は磁場的極めてコンactな天体（MECO）に分類される。
• 磁場構造は時間とともに変化しており、2007年と2008年のドッパー断層マップに相違が認められ、降着流の長期的変化を示唆している。