[논문 리뷰] An unusually bright and long outburst of Cygnus X-1 observed with INTEGRAL

J. Malzac, P. Lubiński외 4명|arXiv (Cornell University)|2008. 05. 28.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 2006년 9월에 발생한 예상치 않게 밝고 긴 폭발 기간 동안 INTEGRAL이 관측한 사이기누스 X-1의 결과를 제시한다. 이는 안정된 저/경직 상태 스펙트럼을 보이며, 광자 지수는 Γ ≈ 1.4이고 고에너지 절단 에너지는 Ec ≈ 130–140 keV이다. 데이터는 사이기누스 X-1가 Eddington 루미노사티의 약 2–3%에 이르는 높은 복사 강도 수준까지 저/경직 상태를 유지함을 보여주며, 이는 이전에 고에너지 상태로의 전이가 더 높은 복사 강도에서 발생한다는 가정에 도전한다.

ABSTRACT

Aims. We present INTEGRAL light curves and spectra of the black-hole binary Cyg X-1 during a bright event that occured in 2006 September, and which was simultaneous with a detection at 0.1–1 TeV energies by the MAGIC telescope. Methods. We analyse the hard X-ray emission from 18 to 700 keV with the INTEGRAL data taken on 2006 September 24–26 by the IBIS and SPI instruments. These data are complemented with RXTE All Sky Monitor data at lower energy. We present the light curves and fit the high energy spectrum with various spectral models. Results. Despite variations in the flux by a factor of∼2 in the the 20–700 keV energy band, the shape of the energy spectrum remained remarkably stable. It is very well represented by an e-folded power law with the photon index ofΓ≃1.4 and a high energy cut-off at Ec ≃ 130–140 keV. The spectrum is also well described by thermal Comptonisation including a moderate reflection component, with the solid angle of the reflector of ∼ 0.4×2π. The temperature of the hot Comptonising electrons is kTe ∼ 70 keV and their Thomson optical depth isτ∼2.5. These spectral properties are typical of those observed in the low/hard state. This shows that Cyg X-1 may stay in the low hard state at least up to the flux level of 2 Crab, which corresponds to∼2–3 per cent of the Eddington luminosity. It is the first time a persistent high-mass black-hole binary is observed at a few percent of the Eddington luminosity with a stable low/hard

연구 동기 및 목표

• 2006년 9월에 발생한 예상치 않게 밝고 긴 폭발 기간 동안 사이기누스 X-1의 스펙트럼적 및 시간적 행동을 규명하는 것.
• 사이기누스 X-1가 Eddington 루미노사티의 몇 퍼센트 수준에 이르는 높은 복사 강도에서 저/경직 상태를 유지하는지 확인하는 것.
• 고에너지 INTEGRAL 데이터를 활용해 딱딱한 X선 방출의 스펙트럼적 성질을 조사하고, RXTE/ASM 데이터와 보완하는 것.
• 관측된 스펙트럼이 절단된 파워 루프 모델인지, 반사 성분이 포함된 열적 콤프턴화 모델인지 최적의 기술 방식을 테스트하는 것.

제안 방법

• 2006년 9월 24일부터 26일까지 INTEGRAL의 IBIS 및 SPI 기구에서 확보한 딱딱한 X선 광도 및 스펙트럼 데이터 분석(18–700 keV 범위).
• 20 keV 이하의 낮은 에너지 범위를 위한 보완적 데이터로 RXTE All Sky Monitor 데이터 활용.
• 고에너지 스펙트럼에 여러 모델을 적합시키며, 전환 지수 파워 루프 및 반사 성분이 포함된 열적 콤프턴화 모델 포함.
• 모델 비교를 통해 최적의 피팅 파rameters(광자 지수, 절단 에너지, 전자 온도(kTe), 톰슨 광학 두께(τ), 반사체의 입체각) 결정.
• 20–700 keV 범위에서 복사 강도가 약 2배 변동됨에도 불구하고 스펙트럼의 안정성 평가.
• 고에너지 방출을 맥락화하기 위해 MAGIC 천체망원경의 동시 테바 레벨 탐지 결과 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사이기누스 X-1는 Eddington 루미노사티의 약 2–3% 수준에 이르는 복사 강도에서 저/경직 상태를 유지할 수 있는가?
• RQ2 복사 강도 변화가 뚜렷한 밝은 폭발 기간 동안 사이기누스 X-1의 고에너지 스펙트럼은 얼마나 안정적인가?
• RQ3 관측된 스펙트럼은 단순한 절단된 파워 루프 모델로 설명되는 것이 바람직한가, 아니면 반사 성분이 포함된 더 복잡한 열적 콤프턴화 모델인가?
• RQ4 이 폭발 기간 동안 콤프턴화 플라즈마의 물리적 파rameter(예: 전자 온도(kTe), 광학 두께(τ))는 무엇인가?
• RQ5 높은 복사 강도에서 안정적이고 딱딱한 스펙트럼이 유지되는 것은 블랙홀 이진계의 질량 흡착 상태 및 상태 전이에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 20–700 keV 범위에서 복사 강도가 약 2배 변동됨에도 불구하고 사이기누스 X-1의 딱딱한 X선 스펙트럼은 놀랄 만큼 안정되어 있었다.
• 스펙트럼은 광자 지수 Γ ≈ 1.4와 고에너지 절단 에너지 Ec ≈ 130–140 keV를 가진 전환 지수 파워 루프 모델로 가장 잘 기술된다.
• kTe ≈ 70 keV 및 τ ≈ 2.5를 가진 열적 콤프턴화 모델은 우수한 피팅을 보이며, 약 0.4×2π 정도의 중간 정도의 반사 성분도 포함된다.
• 이 소스는 Eddington 한계의 약 2–3% 루미노사티 수준까지 저/경직 상태를 유지하였으며, 이는 이전에 관측된 전이 수준보다 훨씬 높은 수준이다.
• 이번 관측은 고질량 블랙홀 이진계가 이와 같은 높은 복사 강도 수준에서 지속적인 저/경직 상태를 유지한 최초의 사례로, 이 상태의 안정성 범위가 더 넓다는 것을 시사한다.
• MAGIC의 동시 테바 레벨 탐지 결과는 이 상태에서 극도로 높은 에너지 방출이 발생했음을 확인하며, 코로나 내 비열적 과정과 일치한다.