[논문 리뷰] Cyclotron absorption lines in the era of Suzaku and NuSTAR

Gaurava K. Jaisawal, Sachindra Naik|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수자쿠와 누스타르 데이터를 이용해 고에너지 X선 스펙트럼 분석을 수행하여 중성자별 자기장 강도를 직접 측정할 수 있는 사이클로트론 흡수선을 검출한다. 주요 발견은 세프 X-4에서 비조화적인 사이클로트론 선 에너지(1차 고조파 에너지가 약 1.7배의 기본 에너지)를 보이며, SMC X-2에서 처음으로 27 keV의 사이클로트론 선을 검출한 것으로, 선 에너지와 광도 사이의 반비례 관계는 초임계적 적층 상태에서 선 형성 영역의 이동을 시사한다.

ABSTRACT

Cyclotron resonance scattering features or cyclotron absorption lines are unique features observed in the hard X-ray spectra of accretion powered X-ray pulsars with magnetic field of the order of 10$^{12}$ G. Detection of these features enables us for the direct estimation of strength of the magnetic field close to the neutron star surface. Corresponding to magnetic field of $\sim$10$^{12}$ G, the fundamental cyclotron lines are expected in 10-100 keV energy range with harmonics expected at multiples of fundamental line energy. However, we detected first harmonic of cyclotron line at less than twice of the fundamental line energy ($\sim$1.7 times the fundamental line energy) in Be/X-ray binary pulsar Cep X-4. With the broadband spectral capability of $Suzaku$ and $NuSTAR$ observatories, we have investigated cyclotron resonance scattering features in several X-ray pulsars to understand the shape of the lines, width, magnetic field mapping, anharmonicity in the line energies and luminosity-dependent properties of cyclotron lines. The results obtained from these works and new detection of cyclotron line in unknown/poorly studied sources are presented in this paper.

연구 동기 및 목표

• 광범위한 X선 데이터를 이용해 고질량 X선 이중성 펄서에서의 사이클로트론 공명 산란 특징(CRSFs)을 연구하기 위해.
• 사이클로트론 선 에너지의 직접 측정을 통해 중성자별 자기장 강도를 결정하기 위해.
• 사이클로트론 선 에너지의 비조화성의 기원과 선 파aram터의 광도 의존성 변화를 탐구하기 위해.
• 예전에 확인되지 않았거나 잘 연구되지 않은 소스, 예를 들어 SMC X-2와 같은 곳에서 사이클로트론 선을 검출하고 특성화하기 위해.
• 주기 해상도 및 광도 해상도 스펙트럼 분석을 통해 자기장 기하학 및 선 형성 영역의 특성을 맵핑하기 위해.

제안 방법

• 1–100 keV 에너지 범위에서 수자쿠 및 누스타르 천체망원경의 광범위한 X선 스펙트럼을 사용하였다.
• 연속 스펙트럼를 기술하기 위해 현상학적 모델(NPEX, fdcut, 절단력법칙)과 물리적 모델(CompTT)을 사용하여 스펙트럼을 피팅하였다.
• 추가 구성 요소로 사이클로트론 선을 위한 가우시안 흡수, 플루오레스센스(예: Fe Kα)를 위한 가우시안 방출선, 부분 커버링 흡수체를 통합하였다.
• 스펙트럼 피팅 및 χ² 최소화를 통해 모델의 유의성을 평가하기 위해 XSPEC 소프트웨어를 적용하였다.
• 펄서 주기와 함께 사이클로트론 선 파aram터의 변동성을 검토하기 위해 주기 해상도 스펙트럼 분석을 수행하였다.
• 광도 의존적 행동을 분석하기 위해 SMC X-2의 세 개의 고광도 에포크 동안 사이클로트론 선 에너지를 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세프 X-4에서 관측된 사이클로트론 선 에너지의 비조화성의 원인은 무엇이며, 특히 1차 고조파 에너지가 기본 에너지의 약 1.7배에 해당하는가?
• RQ2 SMC X-2에서 사이클로트론 선 에너지는 광도에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 선 형성 영역에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 이전에 확인되지 않았거나 잘 연구되지 않은 소스, 예를 들어 SMC X-2에서 사이클로트론 흡수선을 검출할 수 있는가?
• RQ4 사이클로트론 선에서 기대되는 2:1 고조파 에너지 비율에서의 격리 원인은 무엇인가?
• RQ5 상대론적 효과와 관측 기하학은 관측된 사이클로트론 선 에너지 비율에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세프 X-4에서 사이클로트론 선의 1차 고조파는 약 기본 선 에너지의 1.7배에 해당하는 약 45 keV로 검출되었으며, 이는 강한 비조화성을 시사한다(기본 에너지 28 keV 대비).
• SMC X-2에서 처음으로 27 keV의 사이클로트론 흡수선이 검출되었으며, 이는 자기장 강도 2.3 × 10¹² G에 해당한다.
• SMC X-2에서 사이클로트론 선 에너지는 광도와 약간의 반비례 관계를 보였으며, 이는 고광도에서 선 형성 영역이 이동하고 있음을 시사한다.
• SMC X-2에서의 반비례 관계는 방사압이 충격면을 위로 밀어올려 자기장 기하학과 선 형성 높이를 변화시키는 초임계적 적층 상태와 일치한다.
• 세프 X-4에서는 사이클로트론 선 파aram터에 주기 의존성 변화가 뚜렷하지 않아, 펄서 주기 전반에 걸쳐 안정된 선 형성 조건이 유지됨을 시사한다.
• 결과는 비조화성이 다양한 척도 높이에서의 광학 두께 또는 자기장 구조의 차이, 또는 관측 각도에 의한 관측된 에너지 비율 왜곡에서 기인할 수 있음을 지지한다.