[論文レビュー] Rapid variations of polarization in low-mass X-ray binaries

D. M. Russell, P. Casella+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、低質量X線連星（LMXBs）における、最初の急速で1秒未塔の光学および赤外線偏光変動の検出を報告する。この信号は、相対論的ジェットからのシンクロトロン放射に起因するとされる。偏光は10秒という短い時スケールで変動し、ジェット軸に位置角が一致しており、Sco X–1 や GRO J1655–40 などの系では、ジェット基部付近に乱流的だが部分的に整列した磁界が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Time-resolved optical and infrared polarimetric observations of black hole and neutron star low-mass X-ray binaries are presented. Data were acquired with the VLT, UKIRT and HIPPO on the SAAO 1.9-m. We find that for some sources in outburst, a rapidly variable component of polarization is evident that is stronger in the redder wavebands. We attribute this to the polarimetric signature of synchrotron emission from jets in these systems, the emission of which is known to dominate these redder bands. Such synchrotron emission from jets launched close to black holes and neutron stars can be highly linearly polarized, depending on the configuration of the magnetic field. The variability of the polarization is suggestive of a tangled and turbulent magnetic field at the location of the compact jet. For some sources the position angle of polarization is consistent with a magnetic field that is parallel to the observed radio jet. These are some of the first observational constraints of the geometry and magnetic structure at the inner regions of the outflow. We also present the first ever simultaneous optical polarization and X-ray campaign of an X-ray binary, using data taken simultaneously with HIPPO and RXTE with sub-second time resolution.

研究の動機と目的

• 低質量X線連星（LMXBs）の活動期中に、光学および赤外線バンドにおける急速な偏光変動を調査すること。
• LMXBsにおける固有偏光の起源を、星間チリ、散乱、および固有の放射メカニズムの間で特定すること。
• コンパクトな連星系における相対論的ジェット基部における磁界の幾何学的構造とダイナミクスを制約すること。
• HIPPOおよびRXTEを用いて、1秒未塔の時間分解能を持つ、最初の同時光学偏光およびX線モニタリングキャンペーンを実施すること。
• 観測された偏光フレアが実際のものか統計的ゆらぎかを検証するために、位置角の整合性とX線状態との時間的相関を用いること。

提案手法

• VLT、UKIRT、SAAO 1.9-m望遠鏡を用いて、HIPPO、ISAAC、IRPOL2機器による時間分解光学および赤外線偏光測定を実施した。
• V、I、J、H、Kの複数フィルタでデータを取得し、10秒までの時間分解能を達成することで、急速な偏光変化を捉えた。
• RXTEを用いた同時X線モニタリングにより、光学偏光変動とX線の硬さおよび強度状態の相関を分析した。
• 3σ検出閾値を用いて有意な偏光測定を特定し、位置角（PA）分布の分析を通じて整合性と物理的起源を評価した。
• データを10秒、30秒、2.5秒の時間インターバルにビニングし、変動時スケールを評価し、ノイズとの区別を図った。
• X線硬さ-強度ダイアグラムと比較して、源の状態（フレア状態対通常ブランチ）を分類し、ジェット活動と相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LMXBsにおいて、1秒未塔の光学および赤外線偏光変動を検出可能か。また、それは源固有のものか。
• RQ2 観測された固有偏光を生じる物理的メカニズムは何か。また、これは相対論的ジェットからのシンクロトロン放射と整合性があるか。
• RQ3 偏光位置角は、既知の電波ジェットの方向と整合的か。これは磁界がジェット軸に沿って整列していることを示唆するか。
• RQ4 偏光フレアは、中性子星Z源における特定のX線状態（例：フレア状態対通常ブランチ）と相関するか。
• RQ5 偏光変動の時スケールは、コンパクト天体付近の磁界構造およびジェット発生メカニズムについて何を示唆するか。

主な発見

• Sco X–1およびGRO J1655–40で、光学および赤外線バンドにおいて、10秒という短い時スケールで変動する線形偏光（LP）が検出された。
• 赤みの強いフィルタ（J、H、K）において偏光強度が増加しており、これは長波長で支配的なジェットからのシンクロトロン放射と整合的である。
• 2006年2月22日には、3σの有意水準で20秒間の偏光フレアが検出され、位置角は100°付近に集中しており、既知のジェット方向と一致した。
• フレア中、偏光位置角は一貫してジェット軸と一致しており、これは星間または散乱効果ではなく、ジェット関連の起源を支持する。
• Sco X–1のフレアブランチでは顕著な偏光は検出されなかったが、通常ブランチ中にフレアが発生しており、これはジェット-降着円盤カップリングモデルと整合的である。
• 10秒未塔の時スケールで偏光フレアが検出されたことから、ジェット基部付近の磁界構造は極めて動的であり、発光領域の光通過時間スケールによって制限されていることが示唆された。