[논문 리뷰] Spectral state dependence of the 0.4-2 MeV polarized emission in Cygnus X-1 seen with INTEGRAL/IBIS, and links with the AMI radio data

Juan Rodríguez, V. Grinberg외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 11.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 10년간의 INTEGRAL/IBIS 데이터를 바탕으로 사이기누스 X-1에서 0.4–2 MeV 범위의 편광된 복사의 스펙트럼 상태 의존성을 해결하였다. 딱딱한 상태에서는 75±32%의 편광도를 관측하였으며, 이는 밀도가 높은 제트에서 발생하는 동기방출과 일치한다. 반면 부드러운 상태나 중간 상태에서는 유의미한 편광이 검출되지 않았다. 이 검출 결과는 同시적인 AMI 15 GHz 라디오 데이터와도 부합되며, 딱딱한 상태와 중간 상태에서만 밀도가 높은 제트가 관측되었고, 이는 고에너지 복사의 기원이 제트임을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Polarization of the >~400 keV hard tail of the microquasar Cygnus X-1 has been independently reported by INTEGRAL/IBIS, and INTEGRAL/SPI and interpreted as emission from a compact jet. These conclusions were, however, based on the accumulation of all INTEGRAL data regardless of the spectral state. We utilize additional INTEGRAL exposure accumulated until December 2012, and include the AMI/Ryle (15 GHz) radio data in our study. We separate the observations into hard, soft, and intermediate/transitional states and detect radio emission from a compact jet in hard and intermediate states, but not in the soft. The 10-400 keV INTEGRAL (JEM-X and IBIS) state resolved spectra are well modeled with thermal Comptonization and reflection components. We detect a hard tail in the 0.4-2 MeV range for the hard state only. We extract the state dependent polarigrams of Cyg X-1, which all are compatible to no or undetectable level of polarization except in 400-2000 keV range in the hard state where the polarization fraction is 75$\pm$32 % and the polarization angle 40.0 +-14 deg. An upper limit on the 0.4-2 MeV soft state polarization fraction is 70%. Due to the short exposure, we obtain no meaningful constraint for the intermediate state. The likely detection of a >400 keV polarized tail in the hard state, together with the simultaneous presence of a radio jet, reinforce the notion of a compact jet origin of the 400 keV emission.

연구 동기 및 목표

• 상태별로 분리된 INTEGRAL/IBIS 데이터를 사용하여 사이기누스 X-1에서 0.4–2 MeV 범위의 편광된 복사의 스펙트럼 상태 의존성을 조사하기.
• 고에너지 X선 편광을 AMI 전파망원경에서의 15 GHz 라디오 방출과 연관지어, 딱딱한 꼬리의 기원이 밀도가 높은 제트인지 검증하기.
• 특히 부드러운 상태에서의 노출 시간을 늘림으로써, 부드러운 상태와 중간 상태에서의 편광에 대한 제약 조건을 향상시키기.
• 400 keV 이상의 고에너지 복사가 편광 및 스펙트럼 특성에 기반해, 밀도가 높은 자기장이 존재하는 밀도가 높은 제트에서 발생하는 동기방출로 설명될 수 있는지 판단하기.

제안 방법

• 약 10년간의 INTEGRAL/IBIS 및 JEM-X 데이터를 확보하였으며, 노출 시간은 2012년 12월까지 연장되어, 부드러운 상태의 노출 시간이 거의 두 배로 증가하였다.
• Grinberg 등(2013)의 기준을 사용하여 관측를 딱딱한 상태(LHS), 중간 상태(IS), 부드러운 상태(HSS)로 분류하였다.
• 10 keV–2 MeV 범위의 넓은 밴드 스펙트럼은 열적 콤프턴 산란 및 반사 성분으로 모델링되었으며, 0.4–2 MeV 범위의 딱딱은 파wr-법칙 꼬리 성분은 딱딱한 상태에서만 관측되었다.
• 통계적 및 체계적 오차를 고려하여, 상태별로 분리된 편광도 프로파일에서 0.4–2 MeV 대역의 편광도 및 편광 각도를 추출하였다.
• AMI/Ryle 망원경에서 확보한 15 GHz 라디오 데이터를 사용하여 밀도가 높은 제트 방출을 식별하였으며, 스펙트럼 상태 간의 유량 밀도를 비교하였다.
• 노출 시간이 낮아 중간 상태와 부드러운 상태에서는 편광의 상한선을 베이지안 및 우도 기반 방법을 사용하여 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사이기누스 X-1에서 0.4–2 MeV 범위의 편광된 복사는 상태 의존적인가? 만약 그렇다면, 어느 스펙트럼 상태에서 검출 가능한가?
• RQ2 15 GHz에서 밀도가 높은 라디오 제트가 존재하는가와 400 keV 이상의 편광된 복사 검출 사이에 상관관계가 있는가?
• RQ3 딱딱한 상태에서 0.4–2 MeV 복사의 편광도 및 편광 각도는 얼마이며, 이는 제트 기원과 일치하는가?
• RQ4 노출 시간이 증가했음에도 불구하고, 왜 부드러운 상태나 중간 상태에서는 유의미한 편광이 검출되지 않는가?
• RQ5 400 keV 이상의 고에너지 꼬리는, 밀도가 높은 제트 내에서 매우 질서 잡힌 자기장에서 발생하는 동기방출로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 0.4–2 MeV 범위의 딱딱한 꼬리는 딱딱한 상태에서만 검출되었으며, 명백한 절단점 없이 딱딱한 파워-법칙으로 잘 모델링되었다.
• 딱딱한 상태에서 0.4–2 MeV 범위의 편광도는 75±32%이며, 편광 각도는 40.0°±14.3°로, 밀도가 높은 제트에서 발생하는 동기방출과 일치한다.
• 노출 시간이 낮아 중간 상태에서는 유의미한 편광이 검출되지 않아 제약이 없는 상한선이 도출되었다.
• 부드러운 상태에서는 거의 두 배로 증가한 노출 시간에도 불구하고, 0.4–2 MeV 편광도의 상한선은 70%로, 꼬리가 훨씬 더 흐린 또는 편광되지 않은 것으로 나타났다.
• 15 GHz 라디오 방출은 딱딱한 상태에서 약 13 mJy, 중간 상태에서 약 15 mJy로 관측되어, 이 상태들에서 밀도가 높은 제트가 존재함을 시사한다.
• 부드러운 상태에서는 지속적인 라디오 방출이 관측되지 않아, 밀도가 높은 제트가 존재하지 않으며, 이는 편광된 X선 방출의 부재와 일치한다.