[論文レビュー] RX J0440.9+4431: another supercritical X-ray pulsar

Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、2023年初期の巨大増光期におけるBe/X線連星RX J0440.9+4431の最初の詳細なスペクトル的・時間的解析を、NuSTAR、INTEGRAL、NICER、Swiftのデータを用いて行った。約2.8×10³⁷ erg s⁻¹の輝度遷移が超臨界降着の開始を示しており、パルス波形とスペクトルの硬さに急激な変化が見られる。また、以前に報告された30 keVのサイクロトロン線は実際には存在しない可能性が示され、磁場強度は約10¹³ Gであると結論づけた。

ABSTRACT

In the beginning of 2023 the Be transient X-ray pulsar RX J0440.9+4431 underwent a fist-ever giant outburst observed from the source peaking in the beginning of February and reaching peak luminosity of $\sim 4.3 imes10^{37}$ erg s$^{-1}$. Here we present the results of a detailed spectral and temporal study of the source based on NuSTAR, INTEGRAL, Swift, and NICER observations performed during this period and covering wide range of energies and luminosities. We find that both the pulse profile shape and spectral hardness change abruptly around $\sim2.8 imes10^{37}$ erg s$^{-1}$, which we associate with a transition to super-critical accretion regime and erection of the accretion column. The observed pulsed fraction decreases gradually with energy up to 20 keV (with a local minimum around fluorescence iron line), which is unusual for an X-ray pulsar, and then rises rapidly at higher energies with the pulsations significantly detected up to $\sim120$ keV. The broadband energy spectra of RX J0440.9+4431 at different luminosity states can be approximated with a two-hump model with peaks at energies of about 10-20 and 50-70 keV previously suggested for other pulsars without additional features. In particular an absorption feature around 30 keV previously reported and interpreted as a cyclotron line in the literature appears to be absent when using this model, so the question regarding the magnetic field strength of the neutron star remains open. Instead, we attempted to estimate field using several indirect methods and conclude that all of them point to a relatively strong field of around $B\sim 10^{13}$ G.

研究の動機と目的

• 2023年初期のRX J0440.9+4431の巨大増光期におけるスペクトル的・時間的変化を調査すること。
• 以前に報告された30 keVのサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSF）が物理的に実在するものか、スペクトルモデリングのアーティファクトであるかを特定すること。
• スペクトル的特徴からの曖昧さを考慮し、間接的手法を用いて中性子星の磁場強度を推定すること。
• 準臨界降着から超臨界降着への降着レジーム遷移とそのパルス波形およびスペクトル硬さへの影響を理解すること。
• 位相平均および位相分解スペクトルモデリングを用いて、3–120 keVの広帯域X線連続スペクトルを特徴づけること。

提案手法

• 増光曲線にわたる複数回の観測で得られた、NuSTAR、INTEGRAL、NICER、Swiftの同時広帯域X線データの解析。
• 連続スペクトルを記述するために、30 keVのサイクロトロン線を含む従来のモデルの代わりに、二峰性comptt+compttモデルを用いた位相平均および位相分解スペクトルフィッティング。
• 硬さ-輝度ダイアグラムの適用により、約2.8×10³⁷ erg s⁻¹の輝度遷移を特定し、超臨界降着の開始と解釈した。
• 120 keVまでのエネルギー帯域におけるパルス波形解析により、約20 keVで最小値を示し、26 keV以上で急激に上昇する非単調なパルス分率の変化を明らかにした。
• スピン上昇率の測定とコールドディスク降着輝度を用いて、スペクトル線に依存しない独立な方法で中性子星の磁場強度を制約した。
• 30 keVの吸収特徴を含むモデルと含まないモデルの統計的比較を行い、その特徴がデータによって必要とされないことを結論づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約2.8×10³⁷ erg s⁻¹の輝度遷移は、RX J0440.9+4431における超臨界降着の開始を示しているか？
• RQ2 以前に報告された30 keVのサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSF）は、物理的スペクトル特徴であるか、スペクトルモデリングのアーティファクトであるか？
• RQ3 CRSFが検出不能である場合、RX J0440.9+4431の中性子星の磁場強度は何か？
• RQ4 パルス波形の形状とパルス分率は、増光期に伴いエネルギーおよび輝度とともにどのように変化するか？
• RQ5 二つのスペクトルピークの温度と鉄ラインパラメータは、X線輝度とどのように相関するか？

主な発見

• 約2.8×10³⁷ erg s⁻¹の輝度遷移が超臨界降着の開始を示しており、それに伴いパルス波形の形状とスペクトル硬さに急激な変化が観測された。
• 遷移の前は二峰性のパルス波形であったが、遷移後は単峰性に変化し、約2.6×10³⁷ erg s⁻¹までの輝度でディップが見られるが、26 keV以上でエネルギー分解解析においてピークに変化した。
• パルス分率は約20 keVまで徐々に低下し、鉄Kαライン付近で局所的最小値を示し、26 keV以上で急激に上昇した。120 keVまで顕著なパルスが検出された。
• 広帯域スペクトルは、ピークが約10–20 keVおよび約50–70 keVに位置する二峰性comptt+compttモデルで最もよく記述され、30 keVのサイクロトロン線は不要であった。
• 二峰性モデルを用いた場合、以前に報告された30 keVの吸収特徴はデータによって支持されず、実際には偽物であり真のサイクロトロン線ではない可能性が高い。
• スピン上昇率、超臨界降着遷移、コールドディスク降着輝度を用いた複数の間接的手法により、磁場強度は約10¹³ Gと推定され、一貫性を示した。