[논문 리뷰] Constraining Mass of Cygnus X-1 from Analysis of the Hard State Spectral Data using TCAF Solution

Indrani Banerjee, Ayan Bhattacharjee외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 26.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Cygnus X-1의 질량을 거리 및 동반 항성 질량에 의존하지 않는 독립적인 방법으로 제약하기 위해, 하드 상태 동안 RXTE/PCA 데이터의 스펙트럼 피팅을 통해 Two Component Advective Flow (TCAF) 모델을 사용한다. 분석 결과, 일관된 질량 $14.20 \pm 0.36M_{\odot}$를 도출하였으며, 이는 천체역학적 추정치와 뛰어난 일치를 보이며 이전 방법보다 더 엄격한 제약을 제공한다.

ABSTRACT

The galactic black hole candidate Cygnus X-1, one of the brightest sources in the sky, is the first ever black hole candidate to be discovered. Despite being a very well-studied object due to its persistent brightness in X-rays, there has been much difficulty in determining its mass since its discovery. In spite of continuous efforts since the early nineteen seventies, there is yet no concensus on its mass for nearly four decades. The uncertainties in the mass measurements are due to the high degree of error involved in the measurement of its distance. In 2011, Orosz et al. constrained the mass of this object to be M = 14.8 +/- 1.0 M_Sun using dynamical methods. In this paper, we obtained the mass of Cygnus X-1, using a completely independent method, namely, carrying out the spectral analysis using Two Component Advective Flow (TCAF) solution based fits file and the archival data of RXTE PCA instrument. Our result does not require the distance of the source or the information about the companion. Each spectral fit with the TCAF gives one best fitted mass. Averaging fitted masses of Cygnus X-1 over a span of five months of observation during its persistent hard phase, mass of the source comes out to be M_avg = 14.20 +/- 0.36 M_Sun, which is consistent with the dynamically estimated mass.

연구 동기 및 목표

• 거리 및 동반 항성 특성에 의존하지 않는 방법으로 Cygnus X-1의 질량을 결정하기 위해.
• TCAF 모델이 하드 상태 스펙트럼 데이터로부터 블랙홀 질량을 제약하는 데 적용 가능한지를 테스트하기 위해.
• 지속적인 하드 상태 기간 동안의 다수의 스펙트럼 피팅 평균을 통해 Cygnus X-1에 대한 더 엄격하고 신뢰할 수 있는 질량 추정치를 제공하기 위해.
• TCAF 모델이 하드 상태에서 안정적인 유동 파라미터를 재현할 수 있는지 확인하여 질량 추정에 있어 그 적용 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• XSPEC 내에서 로컬 추가 모델로 TCAF 모델을 사용하여, 2.5–45.0 keV 에너지 범위에서 RXTE/PCA의 보관된 데이터에 대한 스펙트럼 피팅을 수행한다.
• Fe Kα 방출선을 모델링하기 위해 가우시안 성분을 도입하며, 에너지는 6.2–6.8 keV 사이로 설정하고, 너비는 0.001–0.8 keV 범위로 제약한다.
• 블랙홀 질량 $M_{\text{BH}}$, 정규화 $N$, 디스크 질량 유량 $\dot{m}_d$, 홀로 질량 유량 $\dot{m}_h$, 쇼크 위치 $X_s$, 쇼크 강도 $R$의 여섯 가지 핵심 파라미터를 피팅한다.
• TCAF 프레임워크를 사용하여, 케플러 운동의 디스크 유동과 비-케플러 운동의 홀로 유동을 조합하고, 쇼크 가열 및 CENBOL 형성을 모델링한다.
• 지속적인 하드 상태 기간 동안 약 5개월 간 (MJD 50916–51016) 스펙트럼 피팅을 수행하여 파라미터의 안정성을 평가한다.
• 개별 스펙트럼 피팅에서 유도된 최적 피팅 질량 값을 평균하여 안정적이고 시간 평균 질량 추정치를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TCAF 모델은 거리 또는 동반 항성 파라미터에 의존하지 않고 Cygnus X-1의 블랙홀 질량을 신뢰할 수 있는 독립적 추정치로 제공할 수 있는가?
• RQ2 Cygnus X-1의 지속적인 하드 상태 기간 동안 TCAF 유동 파라미터(예: $\dot{m}_d$, $\dot{m}_h$, $X_s$, $R$)는 얼마나 안정적인가?
• RQ3 TCAF 모델과 가우시안 성분을 사용한 스펙트럼 피팅이, 디스크 성분이 필요 없이 관측된 하드 상태 X선 스펙트럼을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ4 TCAF 피팅으로 도출된 질량은 $14.8 \pm 1.0M_\odot$의 천체역학적 측정 질량과 일치하는가?
• RQ5 TCAF 모델은 이전의 스펙트럼 방법보다 더 높은 정밀도로 블랙홀 질량을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• TCAF 스펙트럼 피팅을 통해 유도된 Cygnus X-1의 평균 블랙홀 질량은 $14.20 \pm 0.36M_{\odot}$이며, 고정밀도의 독립적 질량 추정치를 나타낸다.
• 디스크 질량 유량 $\dot{m}_d$는 다섯 달 관측 기간 동안 $0.72 \pm 0.03\dot{M}_{\text{Edd}}$로 안정적으로 유지된다.
• 홀로 질량 유량 $\dot{m}_h$는 항상 높은 수준인 $1.80 \pm 0.06\dot{M}_{\text{Edd}}$를 유지하여 강한 비-케플러 운동의 질량 유량을 시사한다.
• 쇼크 위치 $X_s$는 평균적으로 $72.28r_S$이며, $70.38r_S$에서 $73.35r_S$ 사이로 미미한 변동을 보이며 안정적인 쇼크 위치를 나타낸다.
• 쇼크 강도 $R$는 $1.22 \pm 0.03$로, 유동 흐름에서 중간 정도의 강도의 쇼크 전이를 시사한다.
• 데이터/모델 비율은 45 keV까지 약 1에 가까이 유지되며, 이는 중요한 디스크 또는 반사 성분이 없음을 확인하며 하드 상태와 일치한다.