[論文レビュー] Observations of Cygnus X-1 during the two spectral states with the Indian X-ray Astronomy Experiment (IXAE)

A. R. Rao, P. C. Agrawal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 1997

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、インドX線天文学実験（IXAE）搭載のポイントドプロポーショナルカウンターを用いて、サイゲヌスX-1のソフト状態およびハード状態におけるX線時間分解分析を実施した。RXTE/PCAが観測したソフト状態のパワー密度スペクトル（PDS）の形状を確認するとともに、スペクトル遷移の直前におけるハード状態で、より平坦な低周波数PDSを明らかにした。また、スペクトル状態に依存しない追加の低周波数成分も検出され、ソフト状態では0.4秒の指数的減衰時間を持つ強度の高いX線ショットが観測された。これらの結果は、ブラックホール降着モデルを支持するものである。

ABSTRACT

We present the time variability characteristics of Cygnus X-1 in its two spectral states. The observations were carried out using the Pointed Proportional Counters (PPC) on-board the Indian X-ray Astronomy Experiment (IXAE). The details of the instrument characteristics, the observation strategy, and the background modeling methods are described. In the soft state of Cyg X-1, we confirm the general trend of the Power Density Spectrum (PDS) obtained using the Proportional Counter Array (PCA) on-board the RXTE satellite. The hard state of the source just prior to the spectral transition was not observed by the PCA and we present the PDS obtained in this state. We find that the low frequency end of the PDS is flatter than that observed during the spectral transition. Additionally, we find that there is one more component in the low frequency end of the PDS, which is independent of the spectral state of the source. The time variability is also examined by taking the statistics of the occurrence of shots and it is found that the shot duration and shot energy follow an exponential distribution, with time constants significantly different in the two spectral states. In the soft state of the source a shot with a very large strength has been identified and it has exponential rise and decay phases with time constants of 0.4 s. We examine these results in the light of the current models for accretion onto black holes.

研究の動機と目的

• 高時間分解能X線データを用いて、サイゲヌスX-1の2つのスペクトル状態（ソフト状態およびハード状態）における時間的変動を研究すること。
• 特に、RXTE/PCAが観測しなかったスペクトル遷移直前のハード状態におけるパワー密度スペクトル（PDS）の特徴を明らかにすること。
• スペクトル状態に依存しない低周波数変動成分の存在と性質を調査すること。
• 両状態におけるX線強度「ショット」の統計的性質（持続時間およびエネルギー分布）を分析すること。
• 観測された変動特徴を、ブラックホール系における降着円盤およびジェットモデルの文脈で解釈すること。

提案手法

• 高時間分解能X線光曲線を提供する、インドX線天文学実験（IXAE）搭載のポイントドプロポーショナルカウンター（PPC）を用いてデータ収集を行った。
• 両スペクトル状態における周波数依存変動を分析するため、光曲線からパワー密度スペクトル（PDS）を計算した。
• バックグラウンドモデルを適用して源信号を分離し、正確なPDS測定を確保した。
• X線「ショット」の発生統計を分析し、持続時間およびエネルギーを指数分布にフィットさせて時間定数を抽出した。
• スペクトルおよび時間的分解技術を用いて、PDSの低周波数領域におけるスペクトル状態に依存しない成分を検討した。
• 得られた結果を、既存のRXTE/PCAデータおよびブラックホール降着の理論モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイゲヌスX-1のパワー密度スペクトル（PDS）は、ソフト状態とハード状態でどのように異なるか？
• RQ2 特にスペクトル遷移直前のハード状態におけるサイゲヌスX-1の低周波数変動の性質は何か？
• RQ3 スペクトル状態に依存しない恒常的な低周波数変動成分は、サイゲヌスX-1に存在するか？
• RQ4 両スペクトル状態におけるX線強度「ショット」の統計的性質（持続時間およびエネルギー）はどのように異なるか？
• RQ5 ソフト状態で観測された0.4秒の減衰時間を含むショット特性は、ブラックホール系における降着物理学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• サイゲヌスX-1のハード状態におけるPDSの低周波数領域は、スペクトル遷移中に観測されたものよりも平坦である。
• スペクトル状態に依存しない追加の低周波数変動成分がPDSで検出された。
• ソフト状態では、指数的上昇および減衰を示す高振幅のX線ショットが特定され、減衰時間定数は0.4秒であった。
• 両状態におけるショット持続時間およびショットエネルギーは、いずれも指数分布に従い、状態間で顕著に異なる時間定数を示した。
• ソフト状態におけるPDS形状は、RXTE/PCAの観測結果と整合的であり、IXAEのデータ品質および手法の妥当性を裏付けた。
• スペクトル状態に依存しない低周波数成分の存在は、スペクトル状態遷移とは関係のない根本的な変動メカニズムを示唆している。