[論文レビュー] The X-ray binary population in the Galactic Center revealed through multi-decade observations

Kaya Mori, Charles J. Hailey+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 100被引用数 27

ひとこと要約

本研究は、銀河中心における静止状態および一時的X線連星（XRBs）を特定・特徴付けるために、チャンドラACIS-Sで得られた460万秒分のデータを分析した。非熱的X線源12個と1回の爆発を示す一時的変光星4個は、X線爆発履歴およびスペクトル的性質に基づき、4〜12時間の公転周期を持つ強く結合されたブラックホール低質量連星（BH-LMXBs）であると確認された。また、それらの空間的分布は核の星集団と整合するディスク型であることが判明した。

ABSTRACT

We present an investigation of the quiescent and transient X-ray binaries (XRBs) of the Galactic Center (GC). We extended our Chandra analysis of the non-thermal X-ray sources, located in the central parsec, from Hailey et al. (2018), using an additional 4.6 Msec of ACIS-S data obtained in 2012-2018. The individual Chandra spectra of the 12 sources fit to an absorbed power-law model with a mean photon index $\Gamma$~2 and show no Fe emission lines. Long-term variability was detected from nine of them, confirming that a majority are quiescent XRBs. Frequent X-ray monitoring of the GC revealed that the 12 non-thermal X-ray sources, as well as four X-ray transients have shown at most a single outburst over the last two decades. They are distinct from the six known neutron star LMXBs in the GC, which have all undergone multiple outbursts with <~ 5 year recurrence time on average. Based on the outburst history data of the broader population of X-ray transients, we conclude that the 16 sources represent a population of ~240-630 tightly-bound BH-LMXBs with ~4-12 hour orbital periods, consistent with the stellar/binary dynamics modelling in the vicinity of Sgr A*. The distribution of the 16 BH-LMXB candidates is disk-like (at 87% CL) and aligned with the nuclear star cluster. Our results have implications for XRB formation and the rate of gravitational wave events in other galactic nuclei.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるX線モニタリングを用いて、銀河中心の12個の非熱的X線源および4個のX線変光星の性質を特定すること。
• 静止状態のX線連星（qXRBs）と、電波ミリ秒パulsar（rMSPs）や激変星（CVs）などの他のコンact対象群を区別すること。
• X線爆発履歴に基づき、中心1パーセク内におけるブラックホール低質量連星（BH-LMXBs）の数と公転周期分布を推定すること。
• 観測されたX線輝度関数および空間的分布を用いて、Sgr A*周辺のXRB形成および二重星ダイナミクスの理論的モデルを検証すること。

提案手法

• ハリーやら（2018）が報告した既存の140万秒分のACIS-I観測に加え、2012年から2018年までに得られた追加の460万秒分のチャンドラACIS-Sデータを分析した。
• 個々の源のスペクトルを吸収されたパワー・ラウのモデルにフィットさせ、平均光子指数Γ ≈ 2が得られ、鉄の発光ラインは検出されなかった。
• 非熱的X線源12個について長期間の変動性分析を実施し、そのうち9つで顕著な変動性を検出。これは、rMSPsではなく静止状態のXRBsであることを示唆した。
• 既知のNS-LMXBsおよびVFXTsのX線爆発履歴を比較し、再発期間を識別基準とした。NS-LMXBsは5年未塔の再発を示すが、本研究の16個の源はいずれも単一の爆発しか示さなかった。
• リンら（2019）およびフーら（2010）が報告したX線爆発輝度と再発期間の相関関係を用い、16候補の公転周期を制約した。
• 統計的信頼水準を用いて、核の星集団と整合するディスク型の配置かどうかを空間的分布解析で検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心の12個の非熱的X線源は、静止状態のX線連星（qXRBs）であるのか、それともrMSPsやCVsなどの他のコンパクト対象群であるのか？
• RQ2 12個の非熱的静止状態XRBsおよび4個の一時的爆発源からなる16個の源は、独立したブラックホール低質量連星（BH-LMXBs）の集団を形成しているのか？
• RQ3 X線爆発履歴および静止状態のX線性質に基づき、これらのBH-LMXBsの公転周期範囲は何か？
• RQ4 これらの16個のBH-LMXB候補の空間的分布は、核の星集団と整合するディスク型構造と一致するのか？
• RQ5 中心1パーセク内に存在するBH-LMXBsの数はいくつであり、N体シミュレーションおよび潮汐捕獲モデルによる理論的予測と比較してどうか？

主な発見

• 12個の非熱的X線源のうち9つが顕著な長期変動性を示し、これはrMSPsではなく静止状態のXRBsであることを確認した。
• 12個の非熱的X線源および20年間に1回の爆発しか示さない4個のX線変光星は、6つの既知の中性子星連星（NS-LMXBs）とは明確に異なる。NS-LMXBsは5年未塔の再発を示すが、本研究の16個の源はいずれも単一の爆発にとどまった。
• X線爆発履歴および静止状態の輝度関数に基づき、16個の源は4〜12時間の公転周期を持つBH-LMXBsであると最も整合的である。
• 16個のBH-LMXB候補の空間的分布は、核の星集団と87%の信頼水準で整合するディスク型構造であると判明。球状分布は約90%の水準で否定された。
• 中心1パーセク内に存在すると推定されるBH-LMXBsの数は500〜630個、もしここに3つの非変動源がrMSPsであると仮定すれば240〜300個であるが、いずれもN体シミュレーションおよび潮汐捕獲モデルによる理論的予測と整合的である。
• BH-LMXB集団の二重星間隔は0.01〜0.03 AUと推定され、Sgr A*周辺の密度の高い核の星集団に存在するタイトな連星が生存可能であることに合致している。