[論文レビュー] Power spectral properties of the soft spectral states in four black hole transients

Dongming Mao, Wenfei Yu|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、RXTEを用いた4つのブラックホールトランジエンスのソフトスペクトル状態における観測を分析し、X線変動におけるパワーラウのノイズ（PLN）が分類性能の分数ルート平均二乗（fractional rms）振幅に強く傾斜依存性を示すことを明らかにした。その範囲は0.83%から7.67%にわたり、高傾斜度の系ほど顕著に大きな変動を示した。この結果は、PLNの分数ルート平均二乗がブラックホール連星におけるディスク傾斜度と降着フローの物理的性質を調べる手がかりとなる可能性を示唆している。

ABSTRACT

The X-ray variability in the soft X-ray spectral state of black hole binaries is primarily characterized by a power-law noise (PLN), which is thought to originate from the propagation of the modulation in the mass accretion rate of a standard accretion disk flow. Such a PLN has also been revealed in the disk spectral component in the hard and the intermediate states in several black hole binaries. Here we present an investigation of the {\it Rossi} X-ray Timing Explorer (RXTE) observations of four black hole transients in which soft spectral states were observed twenty times or more. We show that in the soft spectral state, the PLN index varied in a large range between -1.64 and -0.62, and the fractional rms variability calculated in the 0.01 -- 20 Hz frequency range reached as large as 7.67\% and as low as 0.83\%. Remarkably, we have found the evidence of an inclination dependence of the maximal fractional rms variability, the averaged fractional rms variability and the fractional rms variability of the median in the sample based on current knowledge of inclination of black hole binaries. An inclination dependence has only been predicted in early magnetohydrodynamic simulations of isothermal disks limited to a high-frequency regime. In theory, the noise index is related to the physics of inward propagation of disk fluctuations, while the fractional rms amplitude reflects the intrinsic properties of the magnetohydrodynamic nature of the accretion flow. Our results therefore suggest that X-ray variability in the soft state can be used to put constraints on the properties of the accretion flow as well as the inclination of the accretion disk.

研究の動機と目的

• RXTEデータを用いてブラックホールトランジエンスのソフトスペクトル状態におけるパワースペクトル特性を調査すること。
• パワーラウのノイズ（PLN）成分の分数ルート平均二乗変動がディスク傾斜度と相関するかどうかを特定すること。
• PLN指数と分数ルート平均二乗が、ソフト状態における本質的な降着フロー物理的性質を反映しているかどうかを評価すること。
• 磁力学的流体力学的（MHD）シミュレーションによる傾斜依存性の変動予測を検証すること。
• PLNの分数ルート平均二乗がブラックホールX線連星におけるディスク傾斜度と降着フロー性質の診断ツールとして有効であるかを検討すること。

提案手法

• 4U 1630−47、H 1743−322、XTE J1817−330、XTE J1859+226の4つのブラックホールトランジエンスについて、各源で20件以上のRXTE観測を分析した。
• 各観測に対して、フーリエ変換によるパワースペクトル密度関数（PDS）を構築し、0.01–20 Hz帯域における分数ルート平均二乗変動を計算した。
• ソフト状態のPDSにパワーラウのノイズ（PLN）モデルを適合させ、PLN指数と分数ルート平均二乗振幅を抽出した。
• 文献から独立して測定または推定されたディスク傾斜度（傾斜角）を用い、観測された分数ルート平均二乗変動と相関をとった。
• 特に高周波数変動の増幅が高傾斜度で予測される、等温ディスクMHDシミュレーションの理論的予測と結果を比較した。
• 分数ルート平均二乗とディスクフラックス分率の統計的比較を実施し、傾斜度の影響をフラックス変動から分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトスペクトル状態におけるPLN成分の分数ルート平均二乗変動は、降着ディスクの傾斜度に依存するか？
• RQ2 観測されたPLN指数および分数ルート平均二乗の変動は、傾斜度依存性を予測する理論的MHDシミュレーションと整合的か？
• RQ3 ソフト状態における観測された分数ルート平均二乗変動は、主にディスクフラックス分率に起因するのか、それとも降着フローの本質的性質に起因するのか？
• RQ4 PLN成分の分数ルート平均二乗は、ブラックホールX線連星におけるディスク傾斜度を信頼できる指標として用いることができるか？
• RQ5 異なる傾斜度を持つ源間で、ソフト状態におけるパワーラウのノイズ特性はどのように比較されるか？

主な発見

• ソフト状態におけるPLN成分の分数ルート平均二乗変動は、0.83%から7.67%の範囲にあり、高傾斜度の系で最大値が観測された。
• 高傾斜度源では顕著に高い分数ルート平均二乗変動が観測され、特に4U 1630−47（7.67%）およびH 1743−322（5.79%）で最大値を示した。一方、低傾斜度源（XTE J1817−330およびXTE J1859+226）では約2%程度にとどまった。
• 最大値、平均値、中央値のすべてにおいて、分数ルート平均二乗変動に明確な傾斜依存性が認められ、ディスクフラックス分率とは独立した傾向であった。
• PLN指数は−1.64から−0.62の広い範囲で変動しており、サンプル全体で降着フローの性質に多様性が存在することを示している。
• 観測された傾斜依存性は、初期のMHDシミュレーションの予測とは完全には一致せず、特に内側ディスクエッジ周辺周波数付近でのみ増幅が予測されていたのとは異なる。
• これらの結果は、PLN成分の分数ルート平均二乗が、ソフト状態におけるディスク傾斜度と降着フロー物理的性質を本質的に探る手がかりである可能性を示唆している。