[論文レビュー] Simultaneous X-ray and optical observations of thermonuclear bursts in the LMXB EXO 0748-676

Biswajit Paul, M. Archana+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、XMM-Newtonデータを用いて、日食型低質量X線連星EXO 0748-676における最初の大規模な同時X線および可視光熱核爆発の検出を報告する。X線と可視光の爆発開始の平均遅れは3.25秒であり、軌道位相依存性は顕著でない。これは、可視光爆発が伴星の表面での再放射によって生じるという仮説に反し、代わりに降着円盤が主要な再放射領域である可能性を示唆する。

ABSTRACT

We report the detection of a large number of optical bursts in the Low Mass X-ray Binary (LMXB) EXO 0748-676 simultaneous with the thermonuclear X-ray bursts. The X-ray and the optical bursts are detected in a long observation of this source with the XMM-Newton observatory. This has increased the number of thermonuclear X-ray bursts in the LMXBs with simultaneous optical detection by several factors. The optical bursts are found to have a linear rise followed by a slow, somewhat exponential decay. Most of the optical bursts have longer rise and decay timescale compared to the corresponding X-ray bursts. We have determined the X-ray and optical excess photon counts in the bursts that allow us to look at the optical to X-ray burst fluence ratio for each burst and the ratio as a function of the X-ray burst intensity and as a function of the orbital phase. The delay between the onset of the X-ray bursts and the onset of the optical bursts have also been measured and is found to have an average value of 3.25 seconds. We do not find any convincing evidence of orbital phase dependence of the following parameters: X-ray to optical delay, rise time of the optical bursts, and optical to X-ray burst intensity ratio as would be expected if the optical bursts were produced by reprocessing from the surface of the secondary star that is facing the compact star. On the other hand, if the optical bursts are produced by reprocessing of the X-rays in the accretion disk, the onset of the bursts is not expected to have a sharp, linear shape as is observed in a few of the bursts in EXO 0748-676. We emphasise the fact that simultaneous optical observations of the X-ray bursts in multiple wavelength bands will enable further detailed investigations of the reprocessing phenomena, including any non-linear effect of the X-ray irradiation.

研究の動機と目的

• X線爆発と相対する可視光爆発のタイミングおよびスペクトル的特徴を分析することで、EXO 0748-676における可視光爆発の起源を調査すること。
• 可視光爆発が、降着円盤の照照明モデルが予測するように、伴星の照射面でのX線光子の再放射によって生じるかどうかを検証すること。
• 可視光爆発とX線爆発の放射量比（可視光変換係数）を、X線爆発の強度および軌道位相の関数として特定すること。
• X線爆発と可視光爆発の開始時刻の幾何的遅れを調べ、再放射領域の位置および構造を推定すること。
• 多バンド可視光/紫外線観測が、LMXBにおける非線形再放射効果を調べる可能性について評価すること。

提案手法

• EPIC-pnからのX線データと光学/紫外線データからの光学モニタを組み合わせたアーカイブXMM-Newton観測の分析。
• 光曲線解析に焦点を当て、爆発の上昇期および減衰期を特定することで、X線および可視光爆発の同定。
• 相関関数を用いたクロス相関技術により、X線爆発開始時刻と可視光爆発開始時刻の時間遅れを測定。
• 個々の爆発およびX線爆発強度および軌道位相の関数としての可視光- X線爆発放射量比（可視光変換係数）の計算。
• 軌道位相依存性の評価により、伴星表面再放射と降着円盤再放射を区別するため、爆発遅れ、上昇時間、可視光変換係数の分析。
• 光の伝播時間推定値（約3秒）を用いて、再放射領域の幾何的構造を制限。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視光爆発の開始はX線爆発の開始に対して遅れているか。もしそうなら、どの程度の遅れか？
• RQ2 X線から可視光への爆発遅れが、伴星の照射面での再放射が原因であると予想されるように、軌道位相に依存するか？
• RQ3 可視光- X線爆発放射量比は一定か。それともX線爆発強度や軌道位相に依存するか？
• RQ4 可視光爆発の上昇および減衰 timescale は、X線爆発と顕著に異なるか？
• RQ5 可視光爆発の観測された線形上昇および指数的減衰は、降着円盤における再放射によって説明可能か。それとも、円盤ベースのモデルと矛盾するか？

主な発見

• 合計23件の同時X線および可視光爆発が検出され、LMXBにおける多波長同時検出のサンプルが顕著に増加した。
• X線爆発開始と可視光爆発開始との平均遅れは3.25秒であり、連星系を横切る光の伝播時間と整合的である。
• X線から可視光への遅れ、可視光爆発の上昇時間、可視光- X線放射量比に、軌道位相依存性は顕著に認められず、これは伴星表面での再放射を否定する証拠となる。
• 可視光爆発は線形上昇とゆっくりとした指数的減衰を示し、X線爆発と比較してより長い時間スケールを持つ。
• 可視光- X線爆発放射量比は、爆発ごとに最大5倍の変動を示し、平均値は約300であるが、未知の可視光スペクトル特性のため不確実性が伴う。
• 観測された爆発形態、特に鋭く線形的な上昇は、降着円盤に基づく再放射モデルに挑戦しており、まだ考慮されていない複雑または非線形な再放射効果を示唆している。