[논문 리뷰] The X-ray binary population in the Galactic Center revealed through multi-decade observations

Kaya Mori, Charles J. Hailey외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 100인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 은하중부의 460만 초 분량의 챈드라 ACIS-S 데이터를 분석하여, 은하중부의 침묵형 및 일시적 X선 연성쌍성(XRBs)을 특정하고 특성화한다. 분석 결과, 12개의 비열역학적 X선 소스와 4개의 단일 폭발 전이성 X선 소스는 X선 폭발력 기록과 스펙트럼 특성에 기반해 궤도 주기가 4–12시간인 밀도 높은 블랙홀 저질량 X선 연성쌍성(BH-LMXBs)일 가능성이 높으며, 이들의 공간 분포는 핵성단과 정렬된 디스크 형태임을 확인하였다.

ABSTRACT

We present an investigation of the quiescent and transient X-ray binaries (XRBs) of the Galactic Center (GC). We extended our Chandra analysis of the non-thermal X-ray sources, located in the central parsec, from Hailey et al. (2018), using an additional 4.6 Msec of ACIS-S data obtained in 2012-2018. The individual Chandra spectra of the 12 sources fit to an absorbed power-law model with a mean photon index $\Gamma$~2 and show no Fe emission lines. Long-term variability was detected from nine of them, confirming that a majority are quiescent XRBs. Frequent X-ray monitoring of the GC revealed that the 12 non-thermal X-ray sources, as well as four X-ray transients have shown at most a single outburst over the last two decades. They are distinct from the six known neutron star LMXBs in the GC, which have all undergone multiple outbursts with <~ 5 year recurrence time on average. Based on the outburst history data of the broader population of X-ray transients, we conclude that the 16 sources represent a population of ~240-630 tightly-bound BH-LMXBs with ~4-12 hour orbital periods, consistent with the stellar/binary dynamics modelling in the vicinity of Sgr A*. The distribution of the 16 BH-LMXB candidates is disk-like (at 87% CL) and aligned with the nuclear star cluster. Our results have implications for XRB formation and the rate of gravitational wave events in other galactic nuclei.

연구 동기 및 목표

• 장기적인 X선 관측을 통해 은하중부의 12개의 비열역학적 X선 소스와 4개의 X선 전이성 소스의 성격을 규명하기 위해.
• 침묵형 X선 연성쌍성(qXRBs)과 라디오 밀리초파ulsar(rMSPs) 또는 초신성 폭발 변형변화변수(CVs)와 같은 다른 밀집 천체 집단을 구분하기 위해.
• X선 폭발 기록을 바탕으로 중심 파섹 내 블랙홀 저질량 X선 연성쌍성(BH-LMXBs)의 수와 궤도 주기 분포를 추정하기 위해.
• 관측된 X선 등급함수와 공간 분포를 활용해 Sgr A* 근처 XRB 형성 및 이중성 역학 이론 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 2012–2018년 동안 수집된 추가 460만 초 분량의 챈드라 ACIS-S 데이터를 분석하였으며, Hailey 등(2018)의 이전 140만 초 분량의 ACIS-I 관측 결과를 보완하였다.
• 개별 소스 스펙트럼을 흡수된 파wer-법칙 모델에 적합시켰으며, 평균 광자 지수는 Γ ≈ 2로 나타났고, Fe 방출선은 발견되지 않았다.
• 12개의 비열역학적 X선 소스에 대해 장기적 변동성 분석을 수행하였으며, 9개에서 유의미한 변동성을 관측하여, 이들이 라디오 밀리초파ulsar(rMSPs)가 아니라 침묵형 X선 연성쌍성(qXRBs)임을 확인하였다.
• 알려진 중성자별 LMXBs(NS-LMXBs)와 VFXTs의 X선 폭발 기록을 비교하여 재발 시간을 기준으로 구분하였다: NS-LMXBs는 5년 이내 재발을 보이며, 본 연구의 16개 소스는 단일 폭발만을 기록하였다.
• Lin 등(2019)과 Wu 등(2010)의 연구에서 도출된 X선 폭발 빛의 세기와 재발 시간 간의 상관관계를 활용하여, 이들 16개 후보자의 궤도 주기를 제약하였다.
• 통계적 신뢰수준을 사용하여 핵성단과의 정렬 여부를 검증하기 위해 공간 분포 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하중부의 12개의 비열역학적 X선 소스는 침묵형 X선 연성쌍성(qXRBs)인지, 아니면 rMSPs나 CVs와 같은 다른 밀집 천체 집단인지인가?
• RQ2 12개의 비열역학적 침묵형 X선 연성쌍성과 4개의 단일 폭발 전이성 소스로 구성된 16개의 소스는 별개의 블랙홀 저질량 X선 연성쌍성(BH-LMXBs) 집단을 대표하는가?
• RQ3 이 BH-LMXBs의 궤도 주기는 X선 폭발 기록과 침묵 상태의 X선 성질에 기반해 어느 범위에 있는가?
• RQ4 이 16개의 BH-LMXB 후보자의 공간 분포는 핵성단과 정렬된 디스크 형태와 일치하는가?
• RQ5 중심 파섹 내 BH-LMXBs의 수는 얼마이며, 이 수치는 N-체 시뮬레이션과 tidal capture 모델의 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 12개의 비열역학적 X선 소스 중 9개는 장기적 변동성이 유의미하게 관측되어, 이들이 라디오 밀리초파ulsar(rMSPs)가 아니라 침묵형 X선 연성쌍성(qXRBs)임을 확인하였다.
• 12개의 비열역학적 X선 소스와 4개의 단일 폭발 전이성 소스는 20년 간의 관측 기간 동안 단일 폭발만 기록한 반면, 알려진 6개의 중성자별 LMXBs(NS-LMXBs)는 5년 이내의 재발 주기를 보이며, 이는 서로 다른 집단임을 시사한다.
• 이 16개의 소스는 X선 폭발 기록과 침묵 상태에서의 X선 등급함수에 기반해 궤도 주기가 4–12시간인 블랙홀 LMXBs(BH-LMXBs)로 가장 잘 설명된다.
• 이 16개의 BH-LMXB 후보자의 공간 분포는 핵성단과 정렬된 디스크 형태와 87%의 신뢰수준에서 일치하며, 구형 분포를 기각할 수 있는 수준(약 90%)의 유의미성을 보였다.
• 중심 파섹 내 BH-LMXBs의 추정 수는 500–630개이며, 비변동성 소스 3개가 rMSPs일 경우 240–300개로 조정되며, 이는 N-체 시뮬레이션과 tidal capture 모델의 이론적 예측과 모두 일치한다.
• BH-LMXB 집단의 이중성 간격은 약 0.01–0.03 AU로 추정되며, Sgr A* 근처의 고밀도 핵성단 내에서 안정적으로 유지될 수 있음을 시사한다.