[논문 리뷰] NuSTAR discovery of a luminosity dependent cyclotron line energy in Vela X-1

F. Fuerst, K. Pottschmidt외 14명|Technical University of Denmark, DTU Orbit (Technical University of Denmark, DTU)|2013. 11. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 뉴트론 스타 고질량 쌍성계 Vela X-1에서 NuSTAR를 이용해 처음으로 빛의 세기에 따라 변화하는 사이클로트론 선 에너지의 직접 측정을 수행하였으며, 킬로세컨드 단위 시간스케일에서 선 에너지와 X선 플럭스 사이의 상관관계를 규명하였다. 결과는 좁은 수축된 질량 유입 열대와 쿨롱이 지배하는 충격파를 포함하는 준임계 질량 유입 상태를 지지하며, 기본 선과 고조파 선 강도 간의 반비례 관계는 광자 복제 모델을 지지하여 오랫동안 지속된 기본 선 존재 여부에 대한 논란을 해결한다.

ABSTRACT

We present NuSTAR observations of Vela X-1, a persistent, yet highly variable, neutron star high-mass X-ray binary (HMXB). Two observations were taken at similar orbital phases but separated by nearly a year. They show very different 3-79 keV flux levels as well as strong variability during each observation, covering almost one order of magnitude in flux. These observations allow, for the first time ever, investigations on kilo-second time-scales of how the centroid energies of cyclotron resonant scattering features (CRSFs) depend on flux for a persistent HMXB. We find that the line energy of the harmonic CRSF is correlated with flux, as expected in the sub-critical accretion regime. We argue that Vela X-1 has a very narrow accretion column with a radius of around 0.4 km that sustains a Coulomb interaction dominated shock at the observed luminosities of Lx ~ 3x10^36 erg/s. Besides the prominent harmonic line at 55 keV the fundamental line around 25 keV is clearly detected. We find that the strengths of the two CRSFs are anti-correlated, which we explain by photon spawning. This anti-correlation is a possible explanation for the debate about the existence of the fundamental line. The ratio of the line energies is variable with time and deviates significantly from 2.0, also a possible consequence of photon spawning, which changes the shape of the line. During the second observation, Vela X-1 showed a short off-state in which the power-law softened and a cut-off was no longer measurable. It is likely that the source switched to a different accretion regime at these low mass accretion rates, explaining the drastic change in spectral shape.

연구 동기 및 목표

• 킬로세컨드 단위 시간스케일에서 지속적인 고질량 X선 쌍성계에서 사이클로트론 공명 산란 특징(CRSFs)의 플럭스 의존성 행동을 조사하기 위해.
• Vela X-1에서 고조파 CRSF의 에너지가 임계 질량 유입 모델이 예측한 바와 같이 빛의 세기에 따라 변하는지 확인하기 위해.
• 기본 사이클로트론 선 존재 여부에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해 기본 선과 고조파 선 간의 반비례 관계를 분석하기 위해.
• 관측된 선 에너지와 플럭스 상관관계를 이용해 질량 유입 열대 기하학과 뉴트론 별 질량을 제약하기 위해.
• 고해상도 스펙트럼 분석을 통해 충격 유형과 자기장 효과를 포함한 질량 유입 열대 내 물리 조건을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 약 일 년 간격으로 분리된 두 개의 NuSTAR 관측 데이터를 사용하여, 유사한 궤도 위상에서 고시간 해상도 스펙트럼 분석을 수행하였다.
• 3–79 keV 스펙트럼을 흡수된 파wer-법칙 모델에 고에너지 절단과 함께 사이클로트론 공명 산란 특징(CRSFs)을 사용하여 피팅하였다.
• 펄스 간 및 킬로세컨드 단위 시간스케일에서 연속 스펙트럼 플럭스, 흡수 열대 밀도, 사이클로트론 선 중심 에너지의 시간적 변화를 추적하였다.
• 관측된 선 에너지–빛의 세기 상관관계를 이용해 쿨롱이 지배하는 충격파를 포함하는 준임계 질량 유입 모델을 시험하였다.
• 기본 선과 고조파 선 강도 간의 반비례 관계를 설명하기 위해 광자 복제 모델을 적용하였다.
• Becker 등(2012)의 이론 예측과 관측된 선 에너지 변화를 기반으로 질량 유입 열대 반경과 뉴트론 별 질량을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Vela X-1에서 사이클로트론 선 에너지가 킬로세컨드 단위 시간스케일에서 X선 플럭스에 따라 변하는가?
• RQ2 관측된 선 에너지–빛의 세기 상관관계는 준임계 질량 유입과 쿨롱이 지배하는 충격파와 일치하는가?
• RQ3 왜 기본 사이클로트론 선은 약 25 keV에서 고조파 선(약 55 keV)과 반비례하는가?
• RQ4 선 에너지 비율이 2.0에서 크게 벗어나는 것은 무엇을 의미하는가? 이는 에너지 의존적 선 너비 또는 이동을 의미하는가?
• RQ5 저플럭스 오프 상태에서 스펙트럼이 크게 부드럽고 고에너지 절단이 사라지는 원인은 무엇인가?

주요 결과

• Vela X-1에서 고조파 사이클로트론 선 에너지가 빛의 세기에 따라 증가함을 확인하여, 지속적인 고질량 쌍성계에서 빛의 세기에 따라 변화하는 선 에너지의 첫 번째 직접 관측 증거를 제공하였다.
• 관측된 선 에너지와 플럭스 간 상관관계는 반경 약 0.4 km의 좁은 질량 유입 열대에서 쿨롱이 지배하는 충격파를 포함하는 준임계 질량 유입 모델의 이론 예측과 일치한다.
• 약 25 keV에서 기본 선이 명확히 감지되었으며, 그 강도가 고조파 선 강도와 반비례함을 확인하여 오랫동안 지속된 기본 선 존재 여부 논란에 대한 광자 복제 모델을 지지한다.
• 고조파 선과 기본 선 에너지 비율은 변동성이 있으며 2.0에서 크게 벗어나 있어, 광자 복제로 인한 에너지 의존적 선 너비 또는 이동을 시사한다.
• 저플럭스 오프 상태에서는 스펙트럼이 부드러워지고 고에너지 절단이 사라졌으며, 이는 낮은 질량 유입률에서 다른 질량 유입 제어 상태로의 전이를 시사한다.
• 데이터는 뉴트론 별 질량이 1.4 M⊙를 초과함을 지지하며, 독립적인 궤도 및 옵티컬 측정과 일치하며 좁은 질량 유입 열대 기하학을 지지한다.