[論文レビュー] X-rays and gamma-rays from accretion flows onto black holes in Seyferts and X-ray binaries

A. A. Zdziarski, W. N. Johnson+3 more|Discovery Research Portal (University of Dundee)|Dec 10, 1996

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、セフィルト銀河および銀河系ブラックホール候補におけるブラックホール周囲の降着流からのX線およびガンマ線放射を調査し、バンド幅スペクトルが温度~100 keV、光学的厚さ~1の熱プラズマによるソフト光子のコンプトン上昇散乱によって最もよく説明されることを示している。スペクトルは200 keV付近に高エネルギー端末があり、これはe+e−対生成がプラズマ温度を制御するものと一致している。反射成分からは、冷たい物質が~0.4–1倍の2πステラジアンを覆っていることが示され、NGC 4151では弱い非熱的放射（<15%）が観測されている。

ABSTRACT

We review observations and theoretical models of X-ray/gamma-ray spectra of radio-quiet Seyfert galaxies and of Galactic black-hole candidates (in the hard spectral state). The observed spectra share all their basic components: an underlying power law, a Compton-reflection component with an Fe K-alpha line, low-energy absorption by intervening cold matter, and a high-energy cutoff above ~ 200 keV. The X-ray energy spectral index, alpha, is typically in the range ~ 0.8-1 in Seyfert spectra from Ginga, EXOSAT and OSSE. The hard-state spectra of black-hole candidates Cyg X-1 and GX 339-4 from simultaneous Ginga/OSSE observations have alpha ~ 0.6-0.8. The Compton-reflection component corresponds to cold matter (e.g., inner or outer parts of an accretion disk) covering a solid angle of ~ (0.4-1) times 2 pi as seen from the X-ray source. The spectra are cut off in soft gamma-rays above ~ 200 keV. The broad-band spectra of both Seyferts and black-hole sources are well fitted by Compton upscattering of soft photons in thermal plasmas. Our fits yield the thermal plasma temperature of ~ 100 keV and the Thomson optical depth of tau 1. A fraction of the luminosity emitted nonthermally appears to be small and it can be constrained to &lt; 15% in the Seyfert galaxy NGC 4151. The spectra are cut off before 511 keV, which is strongly suggestive of a thermostatic role of e+e- pair production in constraining the temperature and optical depth of the sources. The source geometry is compatible with a patchy corona above a cold disk in Seyferts, but not in Cyg X-1. In the latter, the relative weakness of reflection is compatible with reflection of emission of a hot inner disk from outer disk regions.

研究の動機と目的

• 放射的に静かなセフィルト銀河およびハード状態のブラックホール候補におけるX線およびガンマ線放射の起源を理解すること。
• スペクトルフィッティングを用いて、プラズマの物理的状態（温度および光学的厚さなど）を特定すること。
• コンプトン上昇散乱および反射が観測スペクトルをどのように形作っているかを評価すること。
• 非熱的放射の制約および高エネルギー端末のメカニズムを同定すること。
• 特にコロナおよびディスク反射に関して、セフィルト銀河とX線バイナリーの間の源の幾何構造を比較すること。

提案手法

• ギンガ、エクソサット、OSSE観測からの観測されたバンド幅X線およびガンマ線スペクトルを、熱プラズマのコンプトン化モデルでフィッティングする。
• ソフトシード光子のコンプトン上昇散乱を模擬するため、マクスウェル分布を有する熱電子を仮定した熱プラズマモデルを適用する。
• 冷たい物質からのコンプトン反射成分（Fe K-αラインを含む）を組み込み、立体角カバー範囲を~0.4–1倍の2πステラジアンとする。
• 200 keV付近の高エネルギー端末を、プラズマ温度および光学的厚さに影響を与えるe+e−対生成フィードバックの診断として用いる。
• セフィルト銀河（例：NGC 4151）およびブラックホールバイナリー（Cyg X-1、GX 339-4）のスペクトルフィットを比較し、源の幾何構造を推定する。
• 200–511 keV範囲におけるモデルの放射度と観測放射度を比較することで、非熱的放射度に制約を課す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セフィルト銀河およびブラックホール候補における観測されたX線およびガンマ線スペクトルを生成する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 スペクトル成分（パワー・レイト、反射、高エネルギー端末）は、プラズマ温度および光学的厚さをどのように制約するか？
• RQ3 e+e−対生成は、これらの源における最大温度およびスペクトル端末を制御する役割を果たすのか？
• RQ4 なぜCyg X-1における反射成分はセフィルト銀河に比べて弱いか？これは幾何構造にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 特にNGC 4151において、非熱的放射はどの程度存在するのか？

主な発見

• セフィルト銀河およびハード状態のブラックホール候補のX線スペクトルは、温度~100 keV、光学的厚さ~1の熱プラズマによるコンプトン上昇散乱でよくフィットする。
• セフィルト銀河ではエネルギースペクトル指数αは~0.8–1.0、ブラックホールバイナリーでは~0.6–0.8であり、熱的コンプトン化と整合的である。
• 高エネルギー端末は~200 keV以上に位置し、e+e−対生成の始まりと一致しており、これは温度を制御するサーモスタット的役割を果たす。
• 反射成分は、冷たい物質が~0.4–1倍の2πステラジアンを覆っていることを示しており、不連続なコロナまたはディスク幾何構造を示唆する。
• NGC 4151における非熱的放射は、全放射度の<15%に制限されており、支配的な起源が熱的であることを示している。
• セフィルト銀河では、冷たいディスク上に不連続なコロナがある幾何構造と整合的であるが、Cyg X-1では弱い反射成分から、ホットな内側ディスクからの放射が外側ディスク領域で反射されている可能性がある。