[論文レビュー] Spectral state dependence of the 0.4-2 MeV polarized emission in Cygnus X-1 seen with INTEGRAL/IBIS, and links with the AMI radio data

Juan Rodríguez, V. Grinberg+7 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、10年間のINTEGRAL/IBISデータを用いて、サイゲナスX-1における0.4–2 MeVの偏光放射のスペクトル状態依存性を解明した。硬い状態では75±32%の偏光度を示し、これはコンパクトなジェットからのシンチロトロン放射と整合的であるが、やわらかい状態や中間状態では顕著な偏光は検出されなかった。この検出結果は、同時に取得されたAMI 15 GHzの電波データと相関しており、硬い状態および中間状態でのコンパクトジェットの存在を裏付け、高エネルギー放射のジェット起源を強化している。

ABSTRACT

Polarization of the >~400 keV hard tail of the microquasar Cygnus X-1 has been independently reported by INTEGRAL/IBIS, and INTEGRAL/SPI and interpreted as emission from a compact jet. These conclusions were, however, based on the accumulation of all INTEGRAL data regardless of the spectral state. We utilize additional INTEGRAL exposure accumulated until December 2012, and include the AMI/Ryle (15 GHz) radio data in our study. We separate the observations into hard, soft, and intermediate/transitional states and detect radio emission from a compact jet in hard and intermediate states, but not in the soft. The 10-400 keV INTEGRAL (JEM-X and IBIS) state resolved spectra are well modeled with thermal Comptonization and reflection components. We detect a hard tail in the 0.4-2 MeV range for the hard state only. We extract the state dependent polarigrams of Cyg X-1, which all are compatible to no or undetectable level of polarization except in 400-2000 keV range in the hard state where the polarization fraction is 75$\pm$32 % and the polarization angle 40.0 +-14 deg. An upper limit on the 0.4-2 MeV soft state polarization fraction is 70%. Due to the short exposure, we obtain no meaningful constraint for the intermediate state. The likely detection of a >400 keV polarized tail in the hard state, together with the simultaneous presence of a radio jet, reinforce the notion of a compact jet origin of the 400 keV emission.

研究の動機と目的

• 状態別に分離したINTEGRAL/IBISデータを用いて、サイゲナスX-1における0.4–2 MeVのスペクトル状態依存性の偏光放射を調査すること。
• 硬い尾の起源を検証するため、高エネルギーX線偏光とAMI電波望遠鏡による15 GHz電波放射を相関させること。
• 特にやわらかい状態における偏光の制約を、露出時間の増加により強化すること。
• 400 keVを超える高エネルギー放射が、コンパクトジェット内の整然とした磁場からのシンチロトロン放射によって説明可能かどうかを、偏光およびスペクトル的特徴に基づいて特定すること。

提案手法

• INTEGRAL/IBISおよびJEM-Xのデータを約10年間収集し、露出時間を2012年12月まで延長した。これにより、やわらかい状態の露出時間はほぼ2倍に増加した。
• Grinbergら（2013）の基準に従い、観測を硬い状態（LHS）、中間状態（IS）、やわらかい状態（HSS）に分類した。
• 10 keV–2 MeVの広帯域スペクトルを、熱的コンプトン化およびリフレクション成分でモデル化し、0.4–2 MeV範囲での硬いパワーロー尾は硬い状態でのみ存在した。
• 状態別偏光プロファイルを用いて0.4–2 MeV帯域の偏光度および偏光角を抽出し、統計的および系境的誤差を誤差伝搬法で評価した。
• AMI/Ryle望遠鏡による15 GHz電波データを用い、コンパクトジェット放射を特定した。電波フレックス密度を各スペクトル状態で比較した。
• 露出量が低い中間状態およびやわらかい状態では、ベイズ的および尤度に基づく手法を用いて偏光の上限値を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイゲナスX-1における0.4–2 MeVの偏光放射は状態依存的であり、もしそうならどのスペクトル状態で検出可能か？
• RQ2 15 GHzでのコンパクト電波ジェットの存在が、400 keVを超える偏光放射の検出と相関しているか？
• RQ3 硬い状態における0.4–2 MeV放射の偏光度および偏光角は何か？また、これはジェット起源と整合的か？
• RQ4 露出時間の増加にもかかわらず、なぜやわらかい状態や中間状態では顕著な偏光が検出されないのか？
• RQ5 400 keVを超える高エネルギー尾は、コンパクトジェット内の高秩序な磁場からのシンチロトロン放射によって説明可能か？

主な発見

• 0.4–2 MeV範囲に硬い尾が硬い状態でのみ検出され、明確なカットオフのない硬いパワーローでよくモデル化された。
• 硬い状態における0.4–2 MeVの偏光度は75±32%、偏光角は40.0°±14.3°であり、これはコンパクトジェットからのシンチロトロン放射と整合的である。
• 中間状態では露出量が低いため、顕著な偏光は検出されず、非制約的上限値となった。
• やわらかい状態では露出量がほぼ2倍に増加したにもかかわらず、0.4–2 MeVの偏光度の上限は70%にとどまり、尾の放射がはるかに弱いか、偏光がほとんどないことを示唆している。
• 15 GHzの電波放射は、硬い状態で約13 mJy、中間状態で約15 mJyで検出され、これらの状態にコンパクトジェットが存在していることを示している。
• やわらかい状態では恒常的な電波放射は検出されず、これはコンパクトジェットの不在と整合的であり、偏光X線放射の欠如とも一致している。