[논문 리뷰] Magnetic Field Measurement in Black Hole X-Ray Binary Cygnus X-1

E. A. Karitskaya, N. G. Bochkarev외 6명|ArXiv.org|2009. 08. 19.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 VLT FORS1 스펙트로폴라미메트리로 블랙홀 X선 이진성 시리우스 X-1의 붕괴 원반에서 자기장의 첫 번째 직접 검출을 제시한다. O-거대항성 성분에서 약 130 G의 종방향 자기장을 6σ 유의수준으로 측정하였고, 외부 붕괴 구조에서 약 600 G의 자기장을 4σ 유의수준으로 측정하였으며, 자기 에너지 분산을 통한 X선 밀리초 번짐의 자기 기원을 뒷받침한다.

ABSTRACT

X-ray binary Cygnus X-1 is microquasar containing historically first candidate to black hole. Paradigm of magnetic disc accretion dominates in theoretical models describing processes taking place in objects containing black holes such as microquasars and active galactic nuclei. Nevertheless up to now there were no reliable measurements of magnetic fields in these systems. The first prediction of the Cyg X-1 magnetic field was done by V.F.Shvartsman. He wrote that Cyg X-1 X-ray emission millisecond flickering evidences the presence of a black hole and points to the magnetic field role in accretion onto a black hole. From that times there were many of attempts to search for the Cyg X-1 magnetic field but all of these efforts indicated upper limits only. Our VLT FORS1 2007 and 2008 observations revealed a presence of a magnetic field in the system. For the first time we obtained on the level of 6 standard deviations a magnetic field of the order of 130 G on the surface of the Cyg X-1 optical component (O-supergiant) and observational estimation on a 4 sigma level of a magnetic field on a outer part of accretion structure (about 600 G) in accordance with theoretical prediction. Scaling this field value to black hole vicinity we showed that the field is strong enough to explain the X-ray millisecond flickering and can explain it. Our result presents the first direct determination of magnetic field in accreting disk around a black hole.

연구 동기 및 목표

• 시리우스 X-1, 즉 표준 블랙홀 X선 이진성의 붕괴 원반에서 자기장을 직접 측정하는 것.
• 붕괴 구조 내 자기장이 X선 밀리초 번짐을 설명할 수 있다는 이론적 예측을 검증하는 것.
• 고감도 스펙트로폴라미메트리로 O-거대항성 성분의 광구 표면과 외부 붕괴 구조에서의 자기장 강도를 결정하는 것.
• 블랙홀 시스템에서 붕괴 역학과 에너지 분산을 형성하는 데서 자기장의 역할을 평가하는 것.
• 이론 모델(예: 자기결합 모델)을 검증하기 위한 블랙홀 붕괴 원반의 자기장 강도 기준을 설정하는 것.

제안 방법

• 2007년과 2008년 동안 13개의 밤에 걸쳐 VLT FORS1 분광학적 폴라미메터(분해능 R = 4000, 신호대비비 S/N = 1500–3500)를 사용해 스펙트로폴라미트릭 관측을 수행하였다.
• 종방향 자기장 ⟨Bz⟩는 Zeeman 효과를 이용해 V/I와 X 사이의 선형 회귀 기울기를 통해 유도되었으며, 여기서 X = -4.67×10⁻¹³ × g_eff × ⟨Bz⟩ × λ² × (1/I) × dI/dλ 이다.
• 모든 측정치에 대해 유효 Landé 인자 g_eff는 1.07로 가정하였다.
• He II λ4686 선의 2차원 속도 구조를 재구성하기 위해 라디오천문학적 접근법(Radioastronomical Approach, RA)을 사용한 도플러 토모그래피를 적용하였다. 이로써 L1 근처와 외부 붕괴 구조의 발광 영역을 식별하였다.
• 모든 관측된 스펙트럼 선에 대한 통계적 평균 처리를 통해 약한 원형 편광 신호에 대한 감도를 향상시켰다.
• 이론적 모델, 특히 Shakura-Sunyaev 원반 모델과 등가분배 가정을 사용해 자기장 강도를 블랙홀 근처로 스케일링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시리우스 X-1의 붕괴 원반에 검출 가능한 자기장이 존재하는가? 그 강도는 얼마인가?
• RQ2 측정된 자기장이 시리우스 X-1에서 관측된 X선 밀리초 번짐을 설명할 수 있는가?
• RQ3 자기장 강도는 궤도 위상에 따라 어떻게 변화하며, 이는 붕괴 유동 역학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 외부 붕괴 구조에서의 자기장 강도는 압축과 플럭스 봉인에 기반한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ5 30×Rg에서 자기 에너지 유량은 얼마이며, X선 번짐 성분의 빛줄기보다 초과하는가?

주요 결과

• 2007년 궤도 위상 φ ≈ 0.4에서 O-거대항성 성분의 광구 표면에서 ⟨Bz⟩ = 101 ± 18 G의 종방향 자기장을 5.5σ 유의수준으로 검출하였다.
• 2008년 φ ≈ 0.43에서 외부 붕괴 구조에서 ⟨Bz⟩ = 449 ± 112 G의 자기장을 4.0σ 유의수준으로 측정하였다.
• 외부 원반에서의 자기장 강도는 약 600 G에 도달하며, 외곽 가장자리에서 기체 압축으로 인한 자기장 증폭에 이론적 예측과 일치한다.
• R ≈ 30×Rg에서 측정된 자기 에너지 유량은 약 10³⁷ erg/s이며, X선 번짐 성분의 빛줄기(0.5–1×10³⁷ erg/s)와 일치하거나 초과한다.
• 블랙홀의 자기모멘트는 약 10³⁰ G·cm³로 추정되어 시리우스 X-1를 자기극단적으로 밀도 높은 물체(Magnetic Extremely Compact Object, MECO)로 분류할 수 있다.
• 자기장 구조는 시간에 따라 변화하며, 2007년과 2008년의 도플러 토모그래피 맵이 다름으로써 붕괴 유동의 장기적 변화를 시사한다.