[논문 리뷰] Simultaneous X-ray and optical observations of thermonuclear bursts in the LMXB EXO 0748-676

Biswajit Paul, M. Archana외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 08.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 XMM-Newton 자료를 이용해 총질량이 낮은 X선 이중성 EXO 0748-676에서 동시 X선 및 광학 열핵반응 폭발을 처음으로 대규모로 탐지하였다. X선 폭발과 광학 폭발의 시작 시점 사이에 평균 3.25초의 지연이 관측되었으며, 궤도 위상에 따라 유의미한 변화가 없었고, 이는 광학 폭발이 동반성의 표면에서 재처리된다는 가설을 도전하며, 오히려 응축원반(적축원반)이 주요 재처리 영역임을 시사한다.

ABSTRACT

We report the detection of a large number of optical bursts in the Low Mass X-ray Binary (LMXB) EXO 0748-676 simultaneous with the thermonuclear X-ray bursts. The X-ray and the optical bursts are detected in a long observation of this source with the XMM-Newton observatory. This has increased the number of thermonuclear X-ray bursts in the LMXBs with simultaneous optical detection by several factors. The optical bursts are found to have a linear rise followed by a slow, somewhat exponential decay. Most of the optical bursts have longer rise and decay timescale compared to the corresponding X-ray bursts. We have determined the X-ray and optical excess photon counts in the bursts that allow us to look at the optical to X-ray burst fluence ratio for each burst and the ratio as a function of the X-ray burst intensity and as a function of the orbital phase. The delay between the onset of the X-ray bursts and the onset of the optical bursts have also been measured and is found to have an average value of 3.25 seconds. We do not find any convincing evidence of orbital phase dependence of the following parameters: X-ray to optical delay, rise time of the optical bursts, and optical to X-ray burst intensity ratio as would be expected if the optical bursts were produced by reprocessing from the surface of the secondary star that is facing the compact star. On the other hand, if the optical bursts are produced by reprocessing of the X-rays in the accretion disk, the onset of the bursts is not expected to have a sharp, linear shape as is observed in a few of the bursts in EXO 0748-676. We emphasise the fact that simultaneous optical observations of the X-ray bursts in multiple wavelength bands will enable further detailed investigations of the reprocessing phenomena, including any non-linear effect of the X-ray irradiation.

연구 동기 및 목표

• X선 폭발에 대한 시간 및 스펙트럼 특성과의 상대적 분석을 통해 EXO 0748-676의 광학 폭발 기원을 조사하기 위해.
• 광학 폭발이 디스크-일조 모델이 예측하는 바와 같이, 동반성의 조사된 표면에서 X선 광자를 재처리함으로써 발생하는지 테스트하기 위해.
• 광학-X선 폭발 복사량 비율과 X선 폭발 강도 및 궤도 위상에 따른 의존성 측정을 위해.
• X선과 광학 폭발 시작 시점 간 기하학적 지연을 분석하여 재처리 영역의 위치 및 구조를 추론하기 위해.
• 다중 대역 광학/자외선 관측이 LMXB에서 비선형 재처리 효과를 탐색하는 데 실현 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• EPIC-pn에서의 X선 자료와 광학 모니터에서의 광학/자외선 자료를 조합한 기존 XMM-Newton 관측 자료 분석을 통해.
• 폭발의 상승 및 감쇠 단계에 중점을 두고 광선 곡선 분석을 통해 X선 및 광학 폭발 식별을 수행함.
• 교차상관 기법을 사용하여 X선 폭발 시작 시점과 광학 폭발 시작 시점 간의 시간 지연 측정을 수행함.
• 개별 폭발에 대한 광학-비교 폭발 복사량 비율(광학 변환 계수)을 계산하고, X선 폭발 강도 및 궤도 위상에 따른 함수로 계산함.
• 폭발 지연, 상승 시간, 광학 변환 계수의 궤도 위상 의존성을 평가하여 동반성 표면 재처리와 응축원반 재처리를 구별함.
• 광선 전파 시간 추정치(~3초)를 사용하여 재처리 영역의 기하학적 특성을 제약함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 폭발 시작 시점이 X선 폭발 시작 시점보다 지연되어 있는가? 만약 그렇다면, 얼마나 지연되어 있는가?
• RQ2 X선에서 광학 폭발으로의 지연이 궤도 위상에 따라 변하는가? 만약 재처리가 동반성 표면의 조사된 면에서 발생한다면 예상되는 바이다.
• RQ3 광학-비교 폭발 복사량 비율은 일정한가, 아니면 X선 폭발 강도 또는 궤도 위상에 따라 변하는가?
• RQ4 광학 폭발의 상승 및 감쇠 timescale이 X선 폭발과 유의미하게 다를까?
• RQ5 관측된 선형 상승 및 지수 감쇠 형태의 광학 폭발은 응축원반 내 재처리에 의해 설명될 수 있는가, 아니면 디스크 기반 모델과 모순되는가?

주요 결과

• 총 23건의 동시 X선 및 광학 폭발이 탐지되었으며, 이는 LMXB에서 다중 파장 탐지가 이루어진 샘플을 크게 증가시켰다.
• X선 폭발 시작과 광학 폭발 시작 사이의 평균 지연은 3.25초였으며, 이는 이진계를 가로질러 광선이 전파되는 데 걸리는 시간과 일치한다.
• X선-광학 지연, 광학 폭발 상승 시간, 광학-비교 복사량 비율에 대해 궤도 위상에 따른 유의미한 의존성이 발견되지 않아, 동반성 표면에서의 재처리를 반박하는 증거가 된다.
• 광학 폭발은 선형 상승과 느린 지수 감쇠를 보이며, X선 폭발보다 더 긴 시간 스케일을 가진다.
• 광학-비교 폭발 복사량 비율은 폭발 간에 최대 5배의 변동성을 보이며, 평균적으로 약 300이지만, 알려지지 않은 광학 스펙트럼 특성으로 인해 불확도가 존재한다.
• 관측된 폭발 형태—특히 날카롭고 선형적인 상승—은 응축원반 기반 재처리 모델을 도전하며, 아직 고려되지 않은 복잡하거나 비선형 재처리 효과를 시사한다.