[논문 리뷰] A jet model for the broadband spectrum of XTE J1118+480: Synchrotron emission from radio to X-rays in the Low/Hard spectral state

Sera Markoff, H. Falcke외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 27.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 17인용 수 304

한 줄 요약

이 논문은 XTE J1118+480의 저역/하드 상태에서의 광역 스펙트럼이 주로 상대론적이고 등엔트로픽으로 팽창하는 제트에서 발생하는 동기방출에 의해 주로 설명된다고 제안한다. X선의 파wr-법칙 성분은 제트 기저부의 충격 가속 영역에서 광학적으로 얇은 동기방출에 기인하며, 모델은 물리적으로 타당한 제트 파rameter를 사용하여 라디오에서 X선까지의 스펙트럼을 성공적으로 맞추며, 동기방출 냉각 손실에 의해 결정되는 약 100 keV 근처의 표준 스펙트럼 절단을 예측한다.

ABSTRACT

Observations have revealed strong evidence for powerful jets in the Low/Hard states of black hole candidate X-ray binaries. Correlations, both temporal and spectral, between the radio -- infrared and X-ray bands suggest that jet synchrotron as well as inverse Compton emission could also be significantly contributing at higher frequencies. We show here that, for reasonable assumptions about the jet physical parameters, the broadband spectrum from radio through X-rays can be almost entirely fit by synchrotron emission. We explore a relatively simple model for a relativistic, adiabatically expanding jet combined with a truncated thermal disk conjoined by an ADAF, in the context of the recently discovered black hole binary XTE J1118+480. In particular, the X-ray power-law emission can be explained as optically thin synchrotron emission from a shock acceleration region in the innermost part of the jet, with a cutoff determined by cooling losses. For synchrotron cooling-limited particle acceleration, the spectral cutoff is a function only of dimensionless plasma parameters and thus should be around a ``canonical'' value for sources with similar plasma properties. It is therefore possible that non-thermal jet emission is important for XTE J1118+480 and possibly other X-ray binaries in the Low/Hard state.

연구 동기 및 목표

• 역산성 컴프턴 방출에만 의존하지 않고 XTE J1118+480의 저역/하드 상태에서의 광역 라디오-에서-X선 스펙트럼을 설명하기 위해.
• 동기방출이 관측된 평탄한 라디오 스펙트럼과 X선 파워-법칙 성분을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 제트 지배적 방출에서 X선 대역의 스펙트럼 절단을 결정하는 데 동기방출 냉각의 역할을 조사하기 위해.
• 저광도 블랙홀 X선 왜성계에서 표준 열디스크와 코로나역역산성 컴프턴 모델 대신 또는 함께 제트 모델이 타당한지 평가하기 위해.
• 관측된 약 100 keV 근처의 X선 절단이 냉각 시간상수와 충격 속도 등의 플라즈마 파rameter에 의해 자연스럽게 유도되는지 확인하기 위해.

제안 방법

• XTE J1118+480의 관측에서 유도된 물리적 파rameter를 사용하여 상대론적이고 등엔트로픽으로 팽창하는 제트와 잘린 열디스크 및 ADAF 유사 내부 유동을 모델링한다.
• X선 파워-법칙 성분이 제트 기저부의 충격 가속 영역에서 광학적으로 얇은 동기방출에 기인하며, 전자 에너지 분포와 냉각에 의해 스펙트럼 형태가 결정된다고 가정한다.
• 전자 에너지 손실의 주요 메커니즘으로 동기방출 냉각 손실을 사용하며, 차원이 없는 파rameter ξ를 통해 고에너지 절단을 결정한다. 이 파rameter는 자기장과 전자 에너지에 의존한다.
• 관측된 광역 스펙트럼(라디오에서 X선까지)을 광학적으로 두꺼운 동기방출(라디오에서 적외선)과 광학적으로 얇은 동기방출(X선) 성분의 조합으로 맞추며, 시드 광자는 내부 디스크에서 유래한다.
• 관측 제약 조건에 기반하여 블랙홀 질량(6 M☉), 거리(1.8 kpc), 디스크 온도(1.5×10⁵ K), 제트 빛줄기(2.6×10³⁶ erg s⁻¹) 등의 핵심 파rameter를 고정한다.
• 모델 예측을 EUV, 라디오, X선 관측 데이터와 비교하며, 역산성 컴프턴 방출의 역할을 평가한다. 그 결과, 가정된 조건 하에서는 역산성 컴프턴 방출이 무시할 만큼 작다는 것이 밝혀졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트에서 발생하는 동기방출이 역산성 컴프턴 방출을 도입하지 않고도 XTE J1118+480의 저역/하드 상태에서의 라디오-에서-X선까지의 광역 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ2 약 100 keV 근처의 스펙트럼 절단을 유도하는 제트 내 물리적 조건은 무엇이며, 이 절단은 동기방출 냉각에 의해 자연스럽게 설명되는가?
• RQ3 약한 열디스크가 존재할 경우 전자의 냉각 시간상수와 X선 대역에서 동기방출이 역산성 컴프턴 방출보다 지배적인 이유는 무엇인가?
• RQ4 XTE J1118+480에서 관측된 X선 파워-법칙은 충격 가속된 전자 집단에서 발생하는 광학적으로 얇은 동기방출과 일치하는가?
• RQ5 관측된 라디오 대역의 스펙트럼 전환점은 제트 길이와 충격 위치를 제약 조건으로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 라디오에서 X선까지의 XTE J1118+480의 광역 스펙트럼은 제트가 주로 동기방출에 의해 지배되는 모델에 의해 잘 맞추어지며, X선 파워-법칙 성분은 제트 기저부의 충격 가속 영역에서 광학적으로 얇은 동기방출에 기인한다.
• 약 100 keV 근처의 X선 스펙트럼 절단은 동기방출 냉각 손실에 의해 자연스럽게 설명되며, 절단 에너지는 차원이 없는 플라즈마 파rameter ξ에 의해 결정되며, 이 파rameter는 약 100으로 표준 절단에 해당한다.
• 약한 열디스크에서의 낮은 외부 광자 밀도로 인해 역산성 컴프턴 방출은 모델에서 무시할 수 있을 정도로 작으며, 따라서 동기방출 냉각이 주요 에너지 손실 메커니즘이다.
• 평탄한 라디오 스펙트럼은 더 큰 반경에서 제트에서 발생하는 광학적으로 두꺼운 동기방출에 기인하며, X선 파워-법칙은 z ≈ 45 rₛ에서 발생하는 충격에 의해 생성된다.
• 모델은 약 2–15 GHz에서 라디오 대역의 스펙트럼 전환점을 예측하며, 이는 약 4×10¹³ cm(1.8 kpc 거리에서 약 1.5 mas)의 제트 길이와 일치하여 라디오 방출의 제트 기원을 지지한다.
• 이 모델은 스케일이 가능하며, 평탄한 라디오 스펙트럼을 보이는 저광도 X선 왜성계의 다른 X선 이진계에도 적용 가능할 것으로 보이며, 이는 제트 지배적 동기방출이 이러한 시스템에서 일반적인 특징일 수 있음을 시사한다.