[논문 리뷰] A study of spectral and timing properties of Cyg X-1 based on a large sample of pointed RXTE observations

Marek Gierliński, A. A. Zdziarski외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 26.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 RXTE를 이용한 700여 건의 Cygnus X-1 관측 데이터를 분석하여 스펙트럼 피팅에 하이브리드 컴프턴화 모델을, 파wer 스펙트럼 분석에 다중 로렌츠 함수를 사용하여, 스펙트럼 상태, 컴프턴화 증폭, 반사 강도, 변동성 timescale 간의 강력한 상관관계를 규명하였다. 주요 발견은 하드 상태에서는 변동성 메커니즘이 질량 축적률 변화에서 비롯되고, 중간 상태에서는 변동하는 조사에 의한 조사에 의한 것이며, 소프트 상태에서는 코로나의 비정상적 소멸에 기인한다는 것이다. 이는 상태에 따라 변화하는 기하학적 특성을 가진 절단된 디스크와 뜨거운 코로나 모델을 지지한다.

ABSTRACT

We study a large sample of RXTE PCA/HEXTE observations of Cyg X-1. We characterize the spectra by soft and hard X-ray colours (which define the spectral states), and fit them with a physical model of hybrid, thermal/non-thermal Comptonization. We then fit the power spectra by a sum of Lorentzians. We show the resulting correlations between the spectral colour (defining the hard, intermediate and soft spectral states), the Comptonization amplification factor, the fractional Compton reflection strength, and the peak frequency of the Lorentzians. We also calculate the fractional variability (rms) as a function of photon energy. We fit the obtained rms dependencies by physical models of varying accretion rate, a varying soft-photon input from an outer disc to a hot inner plasma, and a varying dissipation rate in a hot corona above a disc.

연구 동기 및 목표

• 대규모 RXTE 데이터셋을 활용하여 Cygnus X-1의 전역 상태에서 스펙트럼 및 타이밍 행동을 특성화하기.
• 스펙트럼 상태 전이를 컴프턴화 증폭 및 반사 강도와 같은 물리적 매개변수와 연관시키기.
• 다양한 스펙트럼 상태에서 주요 변동성 메커니즘(질량 축적률, 조사, 코로나 소멸)을 규명하기.
• 관측된 스펙트럼-타이밍 상관관계와 일치하는 절단된 디스크 및 뜨거운 코로나 모델의 타당성 검증하기.

제안 방법

• xspec에서 하이브리드 컴프턴화(eqpair) 모델을 사용한 스펙트럼 피팅으로, 연속성수(soft, disc)와 딱딱한(plasma) 연속성수를 매개변수화하고, 컴프턴화 증폭 인자 ℓh/ℓs를 주요 스펙트럼 상태 지표로 사용.
• 피크 주파수 및 반폭을 추출하기 위해 파워 스펙트럼 밀도에 다중 로렌츠 성분의 합을 피팅.
• 에너지에 따라 변동하는 분수적 변동성(rms) 계산 및 rms(E) 모델링을 위해 세 가지 물리적 변동 패턴을 사용: 질량 축적률 변화, 연속성수 입력 변화, 코로나 소멸 변화.
• 4–6.4 keV 및 9.7–16 keV 복사율 비율을 사용한 색-색도표를 통해 스펙트럼 상태 매개변수 정의. 하드 상태(0)에서 소프트 상태(1)로의 매핑.
• 모든 스펙트럼 상태를 포함하는 33건의 관측을 대표하는 서브샘플 선정 및 세부적인 스펙트럼 및 타이밍 분석 수행.
• RXTE PCA 및 HEXTE 데이터 사용, 흡수 보정 복사율 및 에너지 해상도가 있는 라이트 커브를 통한 rms 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cyg X-1의 하드, 중간, 소프트 스펙트럼 상태에서 컴프턴화 증폭 인자와 분수적 반사 강도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 파워 스펙트럼의 주요 로렌츠 성분의 피크 주파수 f1과 스펙트럼 상태 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 각 스펙트럼 상태에서 에너지에 따라 변동하는 변동성(rms)을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 Cyg X-1의 스펙트럼 및 타이밍 특성은 절단된 디스크와 뜨거운 코로나 모델을 지지하거나 도전하는가?
• RQ5 왜 Cyg X-1에서는 일반적으로 관측되지 않는 강력한 반사(R > 0.22)를 보이는 고-rms 소프트 상태가 나타나는가? 이는 다른 블랙홀 이진계와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 컴프턴화 증폭 인자 ℓh/ℓs는 하드 상태에서 소프트 상태로 갈수록 단조롭게 감소하며, 하드/중간 상태에서는 ℓh/ℓs ≳ 1, 소프트 상태에서는 ℓh/ℓs ≲ 1이다.
• 피크 주파수 f1의 주요 로렌츠 성분과 컴프턴화 증폭 인자 간에 강력한 상관관계가 발견되었으며, ℓh/ℓs ∝ f1−3/2이다.
• 분수적 변동성(rms)은 하드 상태에서 중간 상태로 갈수록 감소하지만, 가장 소프트 상태에서는 再증가하며, 에너지에 따라 변동하는 rms 프로파일은 각각 일정, 감소, 증가 추세를 보인다.
• 하드 상태의 rms는 일정한 기하학적 구조를 가진 질량 축적률 변화에 의해 가장 잘 설명되며, 중간 상태의 rms는 연속성수 광자에 의한 뜨거운 플로우의 변동하는 조사에 의해 설명되며(ℓs 변화, ℓh 일정), 소프트 상태의 rms는 안정된 디스크 위의 뜨거운 코로나에서의 변동하는 소멸에 의해 설명된다(ℓh 변화, ℓs 일정).
• 강력한 반사(R > 0.22)를 보이는 고-rms 소프트 상태는 특이하게 발견되었으며, 일반적으로 다른 블랙홀 이진계에서 관측되지 않으며, 고유한 코로나 또는 디스크 역학을 시사할 수 있다.
• 전반적인 스펙트럼-타이밍 행동은 절단된 디스크와 뜨거운 코로나 모델을 지지하며, 디스크는 하드 상태에서 큰 반경에서 시작하여 소프트 상태에서는 안정한 내부 궤도 근처로 이동한다.