[論文レビュー] NuSTAR discovery of a luminosity dependent cyclotron line energy in Vela X-1

F. Fuerst, K. Pottschmidt+14 more|Technical University of Denmark, DTU Orbit (Technical University of Denmark, DTU)|Nov 21, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、NuSTARを用いてVela X-1における最初の直接測定による、光度に依存するサイクロトロン線エネルギーの測定を報告する。この測定により、キロ秒時間スケールで線エネルギーとX線放射束の相関関係が明らかになった。結果は、狭い降着柱とコウルomb支配の衝撃波を伴う準臨界降着状態を支持しており、調和線と基本線の強度が反比例していることから、光子生成（photon spawning）の存在が示唆され、長年の基本線の存在に関する論争が解決された。

ABSTRACT

We present NuSTAR observations of Vela X-1, a persistent, yet highly variable, neutron star high-mass X-ray binary (HMXB). Two observations were taken at similar orbital phases but separated by nearly a year. They show very different 3-79 keV flux levels as well as strong variability during each observation, covering almost one order of magnitude in flux. These observations allow, for the first time ever, investigations on kilo-second time-scales of how the centroid energies of cyclotron resonant scattering features (CRSFs) depend on flux for a persistent HMXB. We find that the line energy of the harmonic CRSF is correlated with flux, as expected in the sub-critical accretion regime. We argue that Vela X-1 has a very narrow accretion column with a radius of around 0.4 km that sustains a Coulomb interaction dominated shock at the observed luminosities of Lx ~ 3x10^36 erg/s. Besides the prominent harmonic line at 55 keV the fundamental line around 25 keV is clearly detected. We find that the strengths of the two CRSFs are anti-correlated, which we explain by photon spawning. This anti-correlation is a possible explanation for the debate about the existence of the fundamental line. The ratio of the line energies is variable with time and deviates significantly from 2.0, also a possible consequence of photon spawning, which changes the shape of the line. During the second observation, Vela X-1 showed a short off-state in which the power-law softened and a cut-off was no longer measurable. It is likely that the source switched to a different accretion regime at these low mass accretion rates, explaining the drastic change in spectral shape.

研究の動機と目的

• キロ秒時間スケールで、恒久的高質量X線連星におけるサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSFs）の放射束依存性の挙動を調査すること。
• Vela X-1における調和CRSFのエネルギーが、準臨界降着モデルが予測するように光度に依存して変化するかどうかを特定すること。
• 長年の論争である基本サイクロトロン線の存在を、その強度と調和線の反比例関係を分析することで解消すること。
• 観測された線エネルギーと放射束の相関関係を用いて、降着柱の幾何学的形状と中性星質量を制約すること。
• 高分解能スペクトル解析を通じて、衝撃波の種類と磁場効果を含む降着柱内の物理的状態を探索すること。

提案手法

• ほぼ1年間の期間を空けて実施された2回のNuSTAR観測データを用い、類似した軌道位相を持つVela X-1のスペクトルを高時間分解能で分析した。
• 3–79 keVのスペクトルに、吸収されたパワー則モデルに高エネルギー端末カットオフとサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSFs）を組み合わせてフィットした。
• パルスごとおよびキロ秒時間スケールで、連続スペクトルの放射束、吸収列密度、およびサイクロトロン線の重心エネルギーの時間的変化を追跡した。
• 観測された線エネルギー–光度相関を用いて、コウルomb支配の衝撃波を伴う狭い降着柱（半径約0.4 km）における準臨界降着理論モデルを検証した。
• 光子生成モデルを適用して、基本線と調和線強度の反比例関係を説明した。
• Beckerら（2012）の理論予測を用いて、観測された線エネルギーの時間的変化から降着柱半径と中性星質量を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Vela X-1におけるサイクロトロン線エネルギーは、キロ秒時間スケールでX線放射束に依存して変化するか？
• RQ2 観測された線エネルギー–光度相関は、準臨界降着とコウルomb支配の衝撃波と整合的か？
• RQ3 なぜ基本線（約25 keV）は調和線（約55 keV）と反比例するのか？
• RQ4 線エネルギー比が2.0から著しく逸脱する原因となる、降着柱内の物理的状態は何か？
• RQ5 低放射束のオフ状態では、なぜスペクトルが著しくソフト化し、高エネルギー端末カットオフが消失するのか？

主な発見

• Vela X-1における調和サイクロトロン線エネルギーは、光度に伴い増加し、恒久的HMXBで光度依存の線エネルギーが直接観測された初の証拠となった。
• 観測された線エネルギーと放射束の相関は、半径約0.4 kmの狭い降着柱にコウルomb支配の衝撃波を伴う準臨界降着理論予測と整合的である。
• 約25 keVの基本線は明確に検出され、その強度が調和線強度と反比例していることから、長年の基本線の存在に関する論争を解消する光子生成モデルの妥当性が支持された。
• 調和線と基本線のエネルギー比は時間的に変動し、2.0から著しく逸脱しており、光子生成によるエネルギー依存の線幅拡大またはエネルギーシフトの兆候である。
• 低放射束のオフ状態では、スペクトルがソフト化し、高エネルギー端末カットオフが消失した。これは、低質量降着率における異なる降着状態への遷移を示唆している。
• データは中性星質量が1.4 M⊙を超えることを支持しており、独立した軌道的および光学的測定と整合的である。また、狭い降着柱幾何学的形状の可能性も支持された。