[論文レビュー] Multi-Wavelength Variability. Accretion and Ejection at the Fastest Timescales

P. Uttley, P. Casella|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 8被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、降着するブラックホールにおける多波長変動をレビューし、X線および可視光/赤外線の時間変動データを用いて、降着円盤、コロナ、ジェット成分の因果的関係を解明する。高速時間スペクトル解析、特にリバーブベーションマッピングが、内側の降着流構造を解明できることを示しており、将来的なミッション（LOFT や ATHENA）により、ブラックホール質量にわたる高SN比の遅延測定が可能になる。

ABSTRACT

Multiwavelength variability data, combined with spectral-timing analysis techniques, provides information about the causal relationship between different physical components in accreting black holes. Using fast-timing data and long-term monitoring, we can probe the behaviour of the same components across the black hole mass scale. In this chapter we review the observational status of multiwavelength variability in accreting black holes, from black hole X-ray binaries to AGN, and consider the implications for models of accretion and ejection, primarily considering the evidence for accretion disc and jet variability in these systems. We end with a consideration of future prospects in this quickly-developing field.

研究の動機と目的

• X線と可視光／赤外線の時間変動を用いて、ブラックホール系における降着円盤、高温コロナ、ジェット成分の因果的関係を理解すること。
• 高速時間スペクトル解析技術が、恒星質量ブラックホールおよび超大質量ブラックホールにおける降着流の物理的プロセスをどのように分離できるかを調査すること。
• X線と可視光／赤外線バンド間の相関した変動および時間遅延が、X線放射およびジェット形成のモデルを制約する役割を評価すること。
• NICER、ASTROSAT、LOFT、ATHENAなどの将来的な機器が、ブラックホール降着のスペクトル的時間研究をどのように進展させるかを評価すること。

提案手法

• XMM-Newton、RXTE、NICER などのX線機器および ULTRACAM、HIPERCAM、ARCONS などの可視光／赤外線機器による同時多波長光曲線を用い、時間スケールにわたる変動を分析する。
• スペクトル的時間技術を適用し、ソフトX線とハードX線の間の時間遅延を測定し、内側の円盤およびコロナからのリバーブベーションの兆候を同定する。
• 高周波数Fe Kαライン遅延を検出するための信号対雑音比（S/N）を、検出器有効面積の関数としてモデル化し、X線連星で優れたスケーリングが得られることを示す。
• X線連星（XRBs）と活動銀河核（AGN）における遅延測定の感度を比較し、低カウント状態ではポisson雑音が支配的であることを強調する。
• 将来的なミッション（例：LOFT、ATHENA）が、大面積・高エネルギー分解能X線検出器を備えることで、高SN比のスペクトル的時間測定を実現する可能性を評価する。
• XRBs（数分）とAGN（数年）の補完的時間スケールを活用し、ブラックホール質量関数にわたる降着流の進化およびジェット形成を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線と可視光／赤外線バンド間の時間遅延は、ブラックホール系における降着円盤、コロナ、ジェット成分の因果的関係をどのように明らかにするか？
• RQ2 ジェットとコンプトン化コロナの両方がX線パワーローの成分に与える相対的寄与は何か？また、多波長変動はそれらをどのように区別できるか？
• RQ3 高周波数リバーブベーション遅延を検出するための信号対雑音比は、検出器有効面積に対してどのようにスケーリングされるか？将来的なミッションに与えるインパクトは何か？
• RQ4 X線連星の短い時間スケールは、総光子数が少ないにもかかわらず、AGNに比べてより高精度なスペクトル的時間測定を可能にするメカニズムは何か？
• RQ5 NICER、ASTROSAT、LOFT、ATHENA などの将来的な機器は、高SN比のスペクトル的時間測定により、内側の降着流構造の解像度をどのように向上させられるか？

主な発見

• X線スペクトル的時間解析により、ソフトX線とハードX線の間の時間遅延が明らかとなり、特にX線連星において、内側の円盤およびコロナからのX線リバーブベーションの証拠が得られた。
• XRBsでは、ポisson雑音の支配的状態のため、高周波数Fe Kα遅延の検出に必要なS/Nは、カウントレートに比例して線形に増加する。このため、高有効面積の検出器が高精度測定に不可欠である。
• 有効面積が約1 m²を超えると、XRBsはAGNに比べて遅延測定のS/Nが著しく優れている。これは、より速い変動および1サイクルあたりの光子レートが高いからである。
• 将来的な大面積X線検出器（例：LOFTでは10 m²）により、X線連星の内側領域における高分解能リバーブベーションマッピングが可能になるだろう。
• 光子エネルギー分解能を持つMKIDベースの可視光／赤外線機器（例：ARCONS）により、X線と同等のスペクトル的時間測定が可視光／赤外線バンドでも可能になる。
• ATHENAミッションは、大規模な有効面積とソフトX線応答を備えるため、AGNにおける円盤黒体遅延およびソフトX線リバーブベーションの詳細な研究が期待できる。