[논문 리뷰] On the nature of the X-ray pulsar XTE J1859+083 and its broadband properties

Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 17.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 42인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 2015년 활동기 동안 NuSTAR 및 Swift 자료를 사용하여 X선 펄서 XTE J1859+083의 처음으로 폭넓은 에너지 대역의 X선 스펙트럼 및 타이밍 분석을 수행한다. 0.8–79 keV 범위에서 약 35%의 일정한 펄스 분율을 관측하였으며, 이는 X선 펄서에게는 이례적인 현상이며, 사이클로트론 선이 검출되지 않아 자기장 강도가 <5×10¹¹ G 또는 >5×10¹² G임을 시사한다. 광학 및 적외선 후속 관측은 시스템이 B형 항성과 짝을 이루는 Be X선 이중성임을 확인한다. 거리로는 약 12–22 kpc로 추정된다.

ABSTRACT

This work is devoted to the study of the broadband 0.8-79 keV spectral and timing properties of the poorly studied X-ray pulsar XTE J1859+083 during its 2015 outburst based on the data from the NuSTAR and Swift observatories. We show that the source pulse profile has complex shape that depends on the energy band. Pulse fraction of XTE J1859+083 has constant value around 35% in the broad energy band, this behaviour is atypical for X-ray pulsars. At the same time its energy spectrum is typical of this class of objects and has a power-law shape with an exponential cutoff at high energies. No cyclotron absorption line was discovered in the source spectrum. On the basis of indirect method and the absence of a cyclotron line, an estimation was made for the magnetic field strength as less than $5 imes10^{11}$ G or belonging to the interval from $5 imes10^{12}$ to $2.0^{+0.9}_{-1.2} imes10^{13}$ G. Data from the NOT and SALT telescopes as well as optical and IR sky surveys allowed us also to study the nature of its optical companion. We have proposed and studied new possible candidates for the optical companion of XTE J1859+083 and the most likely candidate was identified. The results of the optical and IR photometry and spectroscopy of these possible companions showed that the system is a Be X-ray binary, showing Br$\gamma$, He I and strong H$\alpha$ spectral lines.

연구 동기 및 목표

• 2015년 활동기 동안 연구 대상이 되지 않은 X선 펄서 XTE J1859+083의 폭넓은 에너지 대역 X선 스펙트럼 및 타이밍 특성을 규명하는 것.
• 다중 파장 자료를 활용하여 광학 동반성의 성격을 규명하고 이중성 시스템의 유형을 확인하는 것.
• 사이클로트론 선 부재와 단계별 스펙트럼 분석을 통해 중성자별 자기장 강도를 추정하는 것.
• 준비 상태 X선 비검출 한계와 광학/적외선 광도 측정 자료를 활용하여 시스템 거리의 제약 조건을 설정하는 것.

제안 방법

• NuSTAR (3–79 keV)와 Swift/XRT (0.8–10 keV)의 동시 X선 관측을 통해 폭넓은 에너지 대역 스펙트럼을 구성하였다.
• XSPEC를 사용하여 파wr-법칙, 지수 감쇠, 흡수 성분을 포함한 모델을 활용해 스펙트럼 피팅을 수행하였다.
• 특정 자전 단계에서 사이클로트론 흡수 특징을 탐색하기 위해 단계별 스펙트럼 분석을 적용하였다.
• NOT 및 SALT의 광학 및 적외선 광도 측정 자료를 천체 사진과 조합하여 광학 동반성을 식별하고 특성화하였다.
• Cardelli 등 (1989)의 표준 흡수 법칙을 활용하여 색-등급도도를 사용해 흡수 및 거리 추정을 수행하였다.
• 준비 상태에서 X선 비검출 한계를 활용하여 시스템 거리의 하한을 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XTE J1859+083의 폭넓은 X선 스펙트럼 및 타이밍 특성은 0.8–79 keV 범위에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 이 소스는 사이클로트론 흡수 선을 나타내는가? 그 부재는 중성자별 자기장 강도에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 광학 동반성의 성격은 무엇이며, 시스템의 거리는 얼마인가?
• RQ4 광학 및 적외선 광도 특성은 Be형 항성 동반성 식별을 어떻게 뒷받침하는가?
• RQ5 준비 상태 X선 광도 한계는 시스템 거리 제약에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 0.8–79 keV 에너지 대역 전체에서 펄스 분율이 약 35%로 일정하게 유지되며, 이는 X선 펄서에게는 이례적인 행동이다.
• 5–50 keV 범위에서 사이클로트론 흡수 선이 검출되지 않아 중성자별 자기장 강도가 <5×10¹¹ G 또는 >5×10¹² G임을 시사한다.
• 낮은 광도에서 프로펠러 영역가 관측되지 않았다는 점을 바탕으로 가장 가능성 있는 중성자별 자기장 강도는 2.0+0.9−1.2 ×10¹³ G로 추정된다.
• 광학 동반성은 Be 항성으로 확인되었으며, 강한 Hα, Brγ 및 He I 발광선이 관측되어 시스템이 Be X선 이중성임을 확인한다.
• 시스템 거리는 11.7–21.5 kpc 범위로 제약되며, 가장 가능성 있는 값은 약 12–15 kpc로, B형 항성에 대한 Gaia 거리 추정과 일치한다.
• 광학/적외선 흡수로 유도된 수소 열화량 밀도(NH ≈ 2.6–3.1×10²² cm⁻², 동반성 기준)가 X선 스펙트럼 피팅 결과와 일치하여 동반성 식별을 지지한다.