[논문 리뷰] An optically thick inner corona geometry for the Very High State Galactic Black Hole XTE J1550-564

Chris Done, Aya Kubota|2005. 11. 01.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 59

한 줄 요약

논문은 XTE J1550-564의 매우 높은 상태(VHS)에서 낮은 디스크 온도가 디스크의 단절 때문이 아니라, 광학적으로 두꺼운 코로나가 에너지를 유출시켜 디스크 복사율을 감소시키기 때문이라고 제안한다. 디스크-코로나 결합 모델(Svensson & Zdziarski 1994)을 사용하여, 데이터를 설명하기 위해 필요한 디스크 단절은 작을 뿐이며, 이는 VHS 스펙트럼과 고/부드러운 상태에서의 밝기-온도 관계, 저주파 QPO 관측 결과와 조화를 이룬다.

ABSTRACT

(truncated version) The X-ray spectra of Galactic binary systems in the very high state show both strong disk emission and a strong, steep tail to high energies. We use simultaneous optical-ASCA-RXTE data from the black hole transient XTE J1550-564 as a specific example, and show that these have disc spectra which are significantly lower in temperature than those seen from the same source at the same luminosity when in the disc dominated state. If these give a true picture of the disc then either the disc emissivity has reduced, and/or the disc truncates above the last stable orbit. However, it is often assumed that the tail is produced by Compton scattering, in which case its shape in these spectra requires that the Comptonising region is marginally optically thick (tau~2-3), and covers a large fraction of the inner disc. This will distort our view of the disc. We build a theoretical model of a Comptonising corona over an inner disc, and fit this to the data, but find that it still requires a large increase in inner disc radius for a standard disc emissivity. Instead it seems more probable that the disc emissivity changes in the presence of the corona. We implement the specific inner disc-corona coupling model of Svensson & Zdziarski (1994) and show that this can explain the low temperature/high luminosity disc emission seen in the very high state with only a small increase in radius of the disc. While this inferred disc truncation is probably not significant given the model uncertainties, it is consistent with the low frequency QPO and gives continuity of properties with the low/hard state spectra.

연구 동기 및 목표

• 고/부드러운 상태에서 관찰된 L ∝ T⁴ 관계와 대비하여 Very High State(VHS)에서 낮은 디스크 온도와의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• VHS에서 관측된 스펙트럼 특성들이 디스크 단절, 복사율 변화, 또는 코로나의 콜로민화 효과에 기인한 것인지 규명하기 위해.
• 디스크-코로나 결합 모델이 큰 디스크 단절 없이도 관측된 X선 스펙트럼을 재현할 수 있는지 시험하기 위해.
• 유도된 디스크 구조가 저주파 QPO 관측 결과와 기존의 응집 물리 이론과 일관된지 평가하기 위해.

제안 방법

• XTE J1550-564의 VHS에서 확보한 동시적 광학-ASCA-RXTE 데이터를 사용하여 0.8–200 keV 범위의 광역 X선 스펙트럼을 분석하였다.
• X선 꼬리에 대해 콜로민화 모델을 적용하였으며, 내부 디스크의 대부분을 덮도는 약간의 광학적 두께가 있는 코로나(τ ≈ 2–3)를 가정하였다.
• Svensson & Zdziarski(1994)의 디스크-코로나 결합 메커니즘을 포함한, 코로나가 내부 디스크 위에 있는 이론적 모델을 구축하였다. 이 모델에서 적분된 적분률 f가 코로나에서 응집 에너지의 일부로 소모된다.
• 이 결합된 모델을 사용하여 스펙트럼 피팅을 수행하여 필요한 디스크 반경과 복사율 변화를 평가하였다.
• 고/부드러운 상태 데이터와의 비교를 통해 L ∝ T⁴ 관계와의 일관성을 시험하였다.
• 저주파 QPO는 일관성 검증으로 고려되었으며, 상대론적 진동 모델을 사용하여 디스크 단절 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XTE J1550-564의 VHS에서 동일한 밝기에서 고/부드러운 상태보다 디스크가 더 차가운 이유는 무엇인가?
• RQ2 관측된 스펙트럼 형태는 디스크 단절, 복사율 변화, 또는 코로나에 의한 콜로민화 효과 중 무엇에 의해 가장 잘 설명되는가?
• RQ3 디스크-코로나 결합 모델이 큰 디스크 단절 없이도 VHS 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ4 콜로민화 코로나의 존재가 관측된 디스크 온도와 밝기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유도된 디스크 구조는 상대론적 진동 모델에서 관측된 저주파 QPO와 일관된가?

주요 결과

• XTE J1550-564의 VHS 스펙트럼은 복사열의 50% 이상을 차지하는 콜로민화 꼬리가 있으며, 같은 밝기에서 고/부드러운 상태보다 상당히 차가운 디스크 성분을 보인다.
• 고정된 디스크 반경을 가진 표준 콜로민화 모델은 큰 디스크 단절을 도입하지 않으면 낮은 디스크 온도를 재현할 수 없으며, 이는 급격한 콜로민화 스펙트럼과 부합하지 않는다.
• Svensson & Zdziarski(1994)의 디스크-코로나 결합 모델은 응집 에너지의 일부 f가 코로나에서 소모된다는 가정 하에, 필요한 디스크 단절을 매우 작고, 대부분의 경우 의미가 없는 수준으로 줄인다.
• 약간 단절된 디스크와 수정된 복사율(그림 7c)을 포함한 모델이 가장 데이터를 잘 설명하며, 상대론적 진동 모델을 통해 저주파 QPO와도 일관된다.
• 지속적인 판 형태의 코로나가 큰 단절된 디스크 위에 존재하는 것은 관측된 것보다 더 평탄한 콜로민화 스펙트럼을 유도하므로 데이터와 부합하지 않는다.
• 결과적으로, 이와 유사한 디스크-코로나 결합 메커니즘이 초광구 X선 소스(ULXs)에서 낮은 명백적인 디스크 온도를 설명할 수 있으며, 이는 중간 질량 블랙홀을 도입할 필요성을 피할 수 있음을 시사한다.