[論文レビュー] The time-lag -- photon-index correlation in GX 339--4

N. D. Kylafis, P. Reig|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、GX 339-4のハード状態およびハード中間状態における時間遅れと光子指数のきわめて強い相関を提示し、可変半径のジェットにおける逆コンプトン散乱と、変化する光学濃度を考慮したジェットモデルによってそれを説明する。このモデルは、光度に応じて非単調に変化するジェット基部半径の進化を予測し、宇宙バッテリー機構と整合的である。さらに、準状態の増加期における電波破壊周波数の進化を成功裏に予測している。

ABSTRACT

Black-hole transients exhibit a correlation between the time lag of hard photons with respect to softer ones and the photon index of the hard X-ray power law. The correlation is not very tight and therefore it is necessary to examine it source by source. The objective of the present work is to investigate in detail the time-lag -- photon-index correlation in GX 339-4. We have obtained RXTE energy spectra and light curves and have computed the photon index and the time lag of the $9 - 15$ keV photons with respect to the $2 - 6$ keV ones. The observations cover the first stages of the hard state, the pure hard state, and the hard-intermediate state. At low $Γ$, the correlation is positive and it becomes negative at large $Γ$. By assuming that the hard X-ray power law index $Γ$ is produced by inverse Compton scattering of soft disk photons in the jet, we have reproduced the entire correlation by varying two parameters in the jet: the radius of the jet at its base $R_0$ and the Thomson optical depth along the jet $τ_\parallel$. We have found that, as the luminosity of the source increases, $R_0$ initially increases and then decreases. This behavior is expected in the context of the Cosmic Battery. As a further test of our model, we predict the break frequency in the radio spectrum as a function of the photon index during the rising part of an outburst.

研究の動機と目的

• 従来の集団レベルの研究よりも高い精度で、よく研究されているブラックホール遷移源GX 339-4における時間遅れ–光子指数相関を調査すること。
• ブラックホール遷移源全体の相関に見られる散乱を解消するために、詳細に1つの源を分析すること。
• ジェットに基づくコンプトン化モデルが、物理的に妥当なパラメータを用いて観測された相関を再現できるかどうかを検証すること。
• 光度に伴うジェット基部半径の進化の物理的起源を明らかにし、宇宙バッテリー機構と関連付けること。
• 準状態の増加期における電波スペクトル破壊周波数の進化を、モデルに基づいて予測すること。

提案手法

• RXTE/PCAのアーカイブデータを用い、2–6 keVおよび9–15 keVの光度曲線を抽出し、0.05–5 Hz帯域で交差パワー密度関数を用いて時間遅れを計算した。
• 2–25 keVのエネルギースペクトルを吸収された破綻型パワー則でフィットさせ、光子指数Γを導出した。
• ハードX線放射を、可変な基部半径R₀と軸方向光学濃度τ∥を有する相対論的ジェット内でのソフトディスク光子の逆コンプトン散乱としてモデル化した。
• ジェットのコンプトン化効率がR₀およびτ∥に依存すると仮定し、観測されたΓ–時間遅れ相関を再現するためにR₀およびτ∥を変化させた。
• 非単調なR₀の光度依存的進化を解釈するために、宇宙バッテリーモデルを用い、ポリロイダル磁場生成と関連付けた。
• モデルのR₀およびτ∥の傾向に基づき、準状態の増加期における電波スペクトル破壊周波数の進化を、Γの関数として予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GX 339-4における時間遅れ–光子指数相関は、集団平均のサンプルと比較して、よりきめ細やかな構造を示すか？
• RQ2 可変なR₀およびτ∥を有するジェットベースのコンプトン化モデルは、GX 339-4における観測されたΓ–時間遅れ相関を再現できるか？
• RQ3 光度の増加に伴うジェット基部半径R₀の非単調な進化を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 ジェットパラメータR₀およびτ∥の進化は、磁場生成のための宇宙バッテリー機構とどのように関連するか？
• RQ5 モデルは準状態の増加期における電波スペクトル破壊周波数の進化を予測できるか？観測結果と一致するか？

主な発見

• GX 339-4のハード状態およびハード中間状態において、時間遅れと光子指数Γのきわめてきつい非単調な相関が確認され、低Γでは正の遅れ–Γ関係、高Γでは負の関係が観測された。
• ジェット基部半径R₀と軸方向光学濃度τ∥の2つのパラメータのみを変化させることで、全相関が成功裏に再現された。
• ジェット基部半径R₀は初期には光度とともに増加し、その後減少する傾向を示し、これは光度依存的なポリロイダル磁場強度を予測する宇宙バッテリーモデルと整合的である。
• 光学濃度τ∥はΓの増加に伴い単調に減少し、散乱回数の減少に伴うコンプトン化モデルの予測通りである。
• モデルは、準状態の増加期に電波スペクトル破壊周波数が最初に増加し、その後減少すると予測しており、Koljonenら（2015）の観測結果と一致する。
• ハード状態からハード中間状態への遷移（約4日間）においてジェット幅が急激に減少したことは、ジェットの外縁部分が切り詰められている可能性を示唆しており、おそらく薄いディスクの内向き移動に起因する。