[論文レビュー] On the nature of the X-ray pulsar XTE J1859+083 and its broadband properties

Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、2015年の活動期中のX線パルサーXTE J1859+083について、NuSTARおよびSwiftのデータを用いて、初めての広帯域X線スペクトルおよびタイミング解析を実施した。0.8–79 keVのエネルギー範囲で、約35%の一定したパルス分率が観測され、これはX線パルサーとしては異常な振るまいである。サイクロトロン線は検出されず、これにより磁場強度は5×10¹¹ G未塔または5×10¹² Gを超えると推定される。光学および赤外線の追従観測により、B型の伴星を有するBe X線連星系であり、距離は約12–22 kpcであると確認された。

ABSTRACT

This work is devoted to the study of the broadband 0.8-79 keV spectral and timing properties of the poorly studied X-ray pulsar XTE J1859+083 during its 2015 outburst based on the data from the NuSTAR and Swift observatories. We show that the source pulse profile has complex shape that depends on the energy band. Pulse fraction of XTE J1859+083 has constant value around 35% in the broad energy band, this behaviour is atypical for X-ray pulsars. At the same time its energy spectrum is typical of this class of objects and has a power-law shape with an exponential cutoff at high energies. No cyclotron absorption line was discovered in the source spectrum. On the basis of indirect method and the absence of a cyclotron line, an estimation was made for the magnetic field strength as less than $5 imes10^{11}$ G or belonging to the interval from $5 imes10^{12}$ to $2.0^{+0.9}_{-1.2} imes10^{13}$ G. Data from the NOT and SALT telescopes as well as optical and IR sky surveys allowed us also to study the nature of its optical companion. We have proposed and studied new possible candidates for the optical companion of XTE J1859+083 and the most likely candidate was identified. The results of the optical and IR photometry and spectroscopy of these possible companions showed that the system is a Be X-ray binary, showing Br$\gamma$, He I and strong H$\alpha$ spectral lines.

研究の動機と目的

• 2015年の活動期中の未だ十分に研究されていないX線パルサーXTE J1859+083の広帯域X線スペクトル的およびタイミング的性質を特徴づけること。
• 多波長データを用いて光学的伴星の性質を特定し、連星系のタイプを確認すること。
• サイクロトロン線の欠如と位相分解スペクトル解析を用いて、中性子星の磁場強度を推定すること。
• 準静止状態のX線非検出限界と光学/赤外線光度測定を用いて、系の距離を制約すること。

提案手法

• NuSTAR（3–79 keV）とSwift/XRT（0.8–10 keV）の同時X線観測を用いて、広帯域スペクトルを構築した。
• XSPECを用いたスペクトルフィッティングにおいて、パワー・レイト、指数的カットオフ、吸収成分を含むモデルを用いた。
• 特定の回転位相におけるサイクロトロン吸収特徴の探索を目的として、位相分解スペクトル解析を実施した。
• NOTおよびSALTの光学・赤外線光度測定と、天の川スカイサーベイとを組み合わせ、光学的伴星を同定および特徴づけた。
• 色-等級図と標準的な減光則（Cardelli et al. 1989）を用いて、減光と距離を推定した。
• 準静止状態のX線非検出からの光度制約を用いて、系の距離下限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XTE J1859+083の広帯域X線スペクトル的およびタイミング的性質は、0.8–79 keVの範囲でどのように変化するか？
• RQ2 この源はサイクロトロン吸収線を示すか？その欠如は中性子星の磁場強度にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 光学的伴星の性質は何か？また、系の距離はどの程度か？
• RQ4 光学および赤外線光度測定の性質は、Be星の伴星の同定をどのように支持するか？
• RQ5 準静止状態のX線光度限界を用いて、系の距離を制約できるか？

主な発見

• パルス分率は0.8–79 keVのエネルギー範囲で約35%の一定値を示し、これはX線パルサーとしては特異な振るまいである。
• 5–50 keVのエネルギー範囲でサイクロトロン吸収線は検出されず、中性子星の磁場強度は5×10¹¹ G未塔または5×10¹² Gを超えると示唆される。
• 低光度状態でのプロペラ効果の欠如を根拠に、最も確実な中性子星の磁場強度は2.0+0.9−1.2 ×10¹³ Gと推定される。
• 光学的伴星はBe星と同定され、強度のHα、Brγ、He I発光線が確認され、系がBe X線連星であることが確認された。
• 系の距離は11.7–21.5 kpcの範囲に制約され、最も妥当な値は12–15 kpc程度であり、B型星のGaia距離推定と整合的である。
• 光学/赤外線減光から導かれた水素原子密度（NH ≈ 2.6–3.1×10²² cm⁻²）は、X線スペクトルフィッティングの結果と一致し、伴星同定を支持する。