[논문 리뷰] The December 2015 re-brightening of V404 Cyg: Variable absorption from the accretion disc outflow

J. J. E. Kajava, S. Motta외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 06.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 50인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 2015년 12월 V404 Cygni 블랙홀 이중성의 재밝아짐을 INTEGRAL 및 Swift/XRT 데이터를 사용하여 분석하여, 디스크 유출에서 기인한 변동성이 있는 거의 콤프턴 두른 투과체에 의해 디스크에서 발생하는 딱딱한 X선 플레어가 조절된다는 것을 밝혀냈다. 스펙트럼 행동은 2015년 6월의 초기 폭발과 매우 유사했으며, 투과도와 딱딱한 X선 스펙트럼에서의 강한 변동성이 관측되어, 낮은 광도 수준에서도 지속적인 유출 기반의 가림 현상이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

In December 2015 the black hole binary V404 Cyg underwent a secondary outburst after the main June 2015 event. We monitored this re-brightening with the INTEGRAL and Swift satellites, and in this paper we report the results of the time-resolved spectral analysis of these data. The December outburst shared similar characteristics with the June one. The well sampled INTEGRAL light curve shows up to 10 Crab flares, which are separated by relatively weak non-flaring emission phases when compared to the June outburst. The spectra are well described by absorbed Comptonization models, with hard photon indices, $Γ\lesssim 2$, and significant detections of a high-energy cut-off only during the bright flares. This is in contrast to the June outburst, where the Comptonization models gave electron temperatures mostly in the 30--50 keV range, while some spectra were soft ($Γ\sim 2.5$) without signs of any spectral cut-off. Similarly to the June outburst, we see clear sings of a variable local absorber in the soft energy band covered by Swift/XRT and INTEGRAL/JEM-X, which causes rapid spectral variations observed during the flares. During one flare, both Swift and INTEGRAL captured V404 Cyg in a state where the absorber was nearly Compton thick, $N_ extrm{H} \approx 10^{24}\, extrm{cm}^{-2}$, and the broad band spectrum was similar to obscured AGN spectra, as seen during the "plateaus" in the June outburst. We conclude that the spectral behaviour of V404 Cyg during the December outburst was analogous with the first few days of the June outburst, both having hard X-ray flares that were intermittently influenced by obscuration due to nearly Compton-thick outflows launched from the accretion disc.

연구 동기 및 목표

• 2015년 6월의 주요 폭발 이후 발생한 V404 Cygni의 12월 2015년 재밝아짐 동안 X선 스펙트럼 변동성을 규명하는 것.
• 플레어 기간 동안 소프트 X선 대역에서 관측된 변동 투과도의 기원과 특성을 조사하는 것.
• 12월 폭발 기간 동안의 스펙트럼 행동이, 특히 가림 현상과 콤프턴화에 관해 6월 2015년 폭발과 유사한지 확인하는 것.
• 낮은 광도 수준에서 지속적인 투과도 변동성의 의미를 분석하여 유출 발생 메커니즘에 대한 통찰을 얻는 것.
• 20%의 에딩턴 한계에 가까운 질량 흡착 상태임에도 불구하고 소프트 상태로 전이되지 않은 원인을 평가하는 것.

제안 방법

• 2015년 12월 폭발 기간 동안 수집된 INTEGRAL 및 Swift/XRT 데이터의 시간 해상 스펙트럼 분석.
• 관측된 스펙트럼을 투과된 콤프턴화 모델(특히 nthcomp 모델)에 적합시켜 광자 지수 Γ, 전자 온도 kTe, 수소 열량 밀도 NH 를 유도하는 것.
• INTEGRAL/ISGRI의 20–65 keV 및 Swift/XRT의 2–10 keV 대역에서의 광도 곡선을 통해 플레어를 식별하는 것.
• 투과체의 광학적 두께를 측정하여 콤프턴 두른 조건(τ > 1, 이는 NH ≈ 1.5 × 10^24 cm⁻²에 해당)에 도달했는지 확인하는 것.
• 6월 2015년 폭발 동안 관측된 바와 유사한 스펙트럼 경향(예: Γ 대 광도)을 비교하여 질량 흡착 및 유출 역학의 유사성을 평가하는 것.
• 고에너지 절단점의 존재와 그가 광도 및 투과도와의 상관관계를 분석하여 콤프턴화 코로나의 성격을 추론하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 V404 Cygni의 12월 2015년 재밝아짐 기간 동안의 스펙트럼 행동은 무엇이며, 6월 2015년 폭발과 어떻게 비교 가능한가?
• RQ2 플레어 기간 동안 특히 소프트 X선 대역에서 관측된 빠른 스펙트럼 변동의 원인은 무엇인가?
• RQ3 관측된 X선 변동성의 주요 원인이 디스크 유출에서 기인한 변동성이 있는 거의 콤프턴 두른 투과체인가?
• RQ4 6월 2015년 폭발에서 관측된 가림 현상의 원인인 동일한 유출 메커니즘이, 12월에 훨씬 낮은 광도 수준에서도 투과도 변동성을 설명할 수 있는가?
• RQ5 12월 폭발 기간 동안 질량 흡착률이 약 20%의 에딩턴 한계에 가까운데도 불구하고 V404 Cygni가 소프트 상태로 전이되지 않는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 12월 2015년 폭발 기간 동안 최대 10개의 별도 플레어가 관측되었으며, 각 플레어 사이에는 더 약한 비플레어 방출 단계가 존재했고, INTEGRAL에 의해 광도 곡선가 잘 샘플링되었다.
• 스펙트럼은 딱딱한 광자 지수(Γ ≲ 2)와 뚜렷한 고에너지 절단점이 밝은 플레어 기간 동안에만 관측된, 투과된 콤프턴화 모델로 가장 잘 기술되었다.
• 한 플레어 기간 동안 투과체는 거의 콤프턴 두른 조건(NH ≈ 10^24 cm⁻²)에 도달하여, 은하핵 블랙홀(AGN)에서 관측되는 것과 유사한 넓은 대역 스펙트럼을 생성했으며, 6월 2015년 폭발에서 관측된 '플랫폼'과 유사한 형태를 띠었다.
• 모든 광도 수준에서 투과도의 변동성이 관측되었으며, 약 2 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹ 수준의 비플레어 방출 기간 동안에도 지속되었으며, 낮은 빛의 강도에서도 투과도 변동성이 지속됨을 시사한다.
• 12월 폭발 기간의 스펙트럼 행동은 6월 2015년 폭발의 첫 며칠과 유사했으며, 양측 모두 디스크에서 유출되는 유동에 의해 조절되는 딱딱한 플레어를 보였다.
• 20%의 에딩턴 한계에 가까운 질량 흡착 상태임에도 불구하고 소프트 상태나 초광도 상태로 전이되지 않았으며, 딱딱한 상태에서도 강력한 유출이 지속될 수 있음을 시사한다.