[논문 리뷰] Frequency resolved spectroscopy of Cyg X-1: fast variability of the Fe K_alpha line

M. Revnivtsev, M. Gilfanov외 1명|arXiv (Cornell University)|1999. 06. 11.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 RXTE 데이터를 활용한 주파수 분해 분광법을 통해 경직 상태일 때 색갈색 X-1의 Fe Kα 선을 분석하여, 선의 등가 폭이 주파수 증가함에 따라 감소함을 규명했다—~10 Hz 이상에서 반으로 감소하였다. 이는 반사체가 압축되어 있음을 시사하며 (~5×10⁸ cm), 또는 고주파 변동이 더 낮은 반사도를 가지는 기하학적으로 별개의 내부 연승 영역에서 기인할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We studied the frequency resolved energy spectra of Cyg X--1 during the standard low (hard) spectral state using the data of the Rossi X-Ray Timing Explorer. We found that the relative amplitude of the reflection features -- the iron fluorescent line at ~6.5 keV and the smeared edge above ~7 keV -- decreases with the increasing frequency. In particular we found that the equivalent width of the iron line decreases above ~1 Hz and drops twice at frequency of ~10 Hz. An assumption that such behavior is solely due to a finite light crossing time of the reflecting media, would imply the characteristic size of the reflector ~5E8 cm, corresponding to ~150 Rg for a 10Msun black hole. Alternatively lack of high frequency oscillations of the reflected component may indicate that the short time scale, ~50-100 msec, variations of the primary continuum appear in geometrically different, likely inner, part of the accretion flow and give a rise to a significantly weaker, if any, reflected emission than the longer time scale events.

연구 동기 및 목표

• 경직 스펙트럼 상태일 때 색갈색 X-1의 Fe Kα 선에서 에너지 의존성 변동성을 조사하기 위해.
• 주기적 연속 스펙트럼에서의 고주파 변동이 반사된 복사 성분에 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 시계열-스펙트럼 분석을 통해 X선 반사 매체의 크기와 위치를 제약하기 위해.
• 관측된 주파수 의존성 선 감소를 빛 도달 시간 지연이 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 빠른 변동의 기하학적 및 물리적 기원을 탐색하기 위해.

제안 방법

• RXTE/ASM 및 PCA 데이터를 대상으로 에너지 분해된 교차 전력 스펙트럼 함수(CPSD) 분석을 수행하여 주파수 의존성 파wer 스펙트럼을 추출하였다.
• 에너지 분해된 파워 스펙트럼을 구성하여 ~6.5 keV에서의 Fe Kα 선 반응과 ~7 keV에서의 컴프턴 봉우리 반응을 주파수 대역에 따라 분리하였다.
• 푸리에 주파수에 따른 Fe Kα 선의 등가 폭을 측정하여 그 변동 폭을 평가하였다.
• 고주파에서 선 강도의 감소를 관측하여 빛 도달 시간 지연을 통해 반사체의 특징 크기를 추정하였다.
• 상대론적 연승 디스크에서의 재처리 이론 모델과 관측된 고주파 감소를 비교하였다.
• 반사 성분에서 고주파 조절이 없는 것의 의미를 내부 연승 유동의 기하학에 대해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 색갈색 X-1의 Fe Kα 선 등가 폭은 푸리에 주파수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 관측된 주파수 의존성 반사 특징 감소는 반사체에 대해 어떤 물리적 크기를 암시하는가?
• RQ3 반사 성분에서 고주파 조절이 없는 것은 빛 도달 시간 지연 때문이거나 주 원천에서 기하학적으로 분리된 영향 때문인가?
• RQ4 ~50–100 ms 시간 스케일에서 주기적 연속 스펙트럼의 변동은 반사 복사가 더 적은 영역에서 기인하는가?
• RQ5 관측된 행동은 압축된 상대론적 넓이를 가진 재처리 영역으로 설명될 수 있는가, 아니면 별개의 내부 흐름 기하학이 필요한가?

주요 결과

• Fe Kα 선의 등가 폭은 주파수 증가함에 따라 감소하며, ~10 Hz 이상에서 반으로 감소한다.
• 고주파에서 반사 특징의 감소는 반사체의 특징 크기를 약 ~5×10⁸ cm로 암시하며, 이는 질량 10 M☉의 블랙홀 기준 약 150개의 중력 반지름(Rg)에 해당한다.
• 관측된 주파수 의존성 감소는 빛 도달 시간 지연만으로는 완전히 설명될 수 없으며, 주 원천과 반사체 사이에 기하학적 분리가 있음을 시사한다.
• 반사 성분에서 고주파 조절이 없는 것은 짧은 시간 스케일(~50–100 ms)의 주기적 연속 스펙트럼 변화가 내부 흐름의 별개 영역에서 기인할 가능성이 높음을 시사한다.
• 데이터는 내부 흐름이 더 긴 시간 스케일 변화보다는 훨씬 더 약하거나 반사 복사를 생성하지 않는다는 것을 암시한다.
• 결과는 주 X선 방출과 재처리가 공간적으로 분리된 영역에서 발생하며, 후자는 빠른 변동에 덜 민감하다는 시나리오를 지지한다.