[논문 리뷰] XMM-Newton observation of 4U 1820-30: Broad band spectrum and the contribution of the cold interstellar medium

E. Costantini, C. Pinto외 7명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2011. 12. 19.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 72인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 빛나는 X선 이중성분 4U 1820-30의 XMM-Newton X선 스펙트럼을 분석하여 냉각된 간성간 매질의 흡수 특징을 다룬다. 산소와 철의 K-엣지가 마그네슘을 다량 함유한 실리케이트와 금속성 철을 포함한 GEMS 유사 먼지로 가장 잘 맞는 것으로 나타나, 산소의 탈구 인자(0.20)와 철의 탈구 인자(0.87)를 확인하였으며, 약 1200 km s⁻¹에서 경미하게 이온화된 유속의 존재에 대한 암시적 증거를 제시한다.

ABSTRACT

We present the analysis of the bright X-ray binary 4U 1820-30, based mainly on XMM-Newton-RGS data, but using complementary data from XMM-Epic, Integral, and Chandra-HETG, to investigate different aspects of the source. The broad band continuum is well fitted by a classical combination of black body and Comptonized emission. The continuum shape and the high flux of the source (L/L_Edd\sim0.16) are consistent with a "high state" of the source. We do not find significant evidence of iron emission at energies >=6.4 keV. The soft X-ray spectrum contain a number of absorption features. Here we focus on the cold-mildly ionized gas. The neutral gas column density is N_H\sim1.63x10^21 cm^-2. The detailed study of the oxygen and iron edge reveals that those elements are depleted, defined here as the ratio between dust and the total ISM cold phase, by a factor 0.20\pm0.02 and 0.87\pm0.14, respectively. Using the available dust models, the best fit points to a major contribution of Mg-rich silicates, with metallic iron inclusion. Although we find that a large fraction of Fe is in dust form, the fit shows that Fe-rich silicates are disfavored. The measured Mg:Fe ratio is 2.0\pm0.3. Interestingly, this modeling may point to a well studied dust constituent (GEMS), sometimes proposed as a silicate constituent in our Galaxy. Oxygen and iron are found to be slightly over- and under-abundant, respectively (1.23 and 0.85 times the solar value) along this line of sight. We also report the detection of two absorption lines, tentatively identified as part of an outflow of mildly ionized gas (ξ\sim-0.5) at a velocity of \sim1200 km/s.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 X선 분광법을 이용하여 4U 1820-30 방향의 행성간 먼지 조성과 탈구를 조사하기.
• 관측된 X선 흡수 특징에 기여하는 냉각된 기체와 경미하게 이온화된 기체의 기여도를 규명하기.
• 산소와 철의 흡수 엣지가 알려진 먼지 화합물, 특히 마그네슘을 다량 함유한 실리케이트와 금속성 철을 포함한 GEMS와 일치하는지 평가하기.
• O iv 및 O v 선에서 관측된 암시적 유속 흡수체의 기원을 탐색하기.

제안 방법

• XMM-Newton RGS 및 EPIC-pn 데이터 분석을 통해 넓은 밴드 X선 연속스펙트럼과 흡수 특징을 모델링하기.
• INTEGRAL 및 천체망원경-고해상도 헤터로지컬 분광기(Chandra-HETG) 데이터를 동시에 사용하여 스펙트럼 커버리지 향상과 연속스펙트럼 및 흡수 성분의 제약 강화하기.
• 현재의 비정질 실리케이트 및 금속성 철 모델에서 유도된 이론적 먼지 흡수 프로파일을 사용하여 산소 및 철 K-엣지 특징을 피팅하기.
• 광이온화 및 충돌 이온화 시나리오를 사용하여 흡수 기체의 이온화 상태를 모델링하여 O iv 및 O v 선을 해석하기.
• 관측된 흡수 깊이와 엣지 형상이 GEMS 및 철을 다량 함유한 실리케이트를 포함한 먼지 모델 예측과 비교하기.
• 농도 및 탈구 인자를 사용하여 냉각된 ISM 상에서의 먼지 대 기체 비율과 원소 분획화를 추론하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 흡수 엣지를 통해 4U 1820-30 방향의 행성간 먼지 조성은 어떻게 추론되는가?
• RQ2 산소와 철의 탈구 인자는 태양 기준값과 비교하여 어떻게 다를 수 있으며, 이는 먼지 형성과 입자 처리에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 관측된 산소 및 철 K-엣지 특징은 마그네슘을 다량 함유한 실리케이트와 금속성 철을 포함한 GEMS와 같은 알려진 먼지 화합물로 설명될 수 있는가?
• RQ4 약 1200 km s⁻¹에서 관측된 암시적 흡수선의 기원은 무엇이며, 기체가 광이온화 또는 충돌 이온화로 인해 유속하고 있는가?
• RQ5 관측된 흡수 특징은 냉각된, 경미하게 이온화된 간성간 매질과 일치하는가, 아니면 소스 근처의 국소 유속과 관련된 것인가?

주요 결과

• 중성 수소 열량 밀도는 $N_{\rm H} = 1.63 \times 10^{21}$ cm⁻²로 측정되어, 선로를 따라 냉각된 ISM와 일치한다.
• 산소는 태양 기준 대비 1.23 배로 略적으로 과잉으로 나타나며, 철은 0.85 배로 부족하다.
• 산소는 $0.20 \pm 0.02$ 배로 경미하게 탈구되어, 큰 비율이 먼지 입자에 갇혀 있음을 시사한다.
• 철은 $0.87 \pm 0.14$ 배로 현저하게 탈구되어, 상당 부분이 먼지에 포함되어 있음을 시사한다.
• 산소 K-엣지는 마그네슘을 다량 함유한 실리케이트(예: 에누스타이트, MgSiO₃)로 가장 잘 맞으며, 철 K-엣지는 금속성 철 포함으로 설명되어 GEMS 유사 먼지 조성에 대한 지지를 받는다.
• 약 1200 km s⁻¹에서 암시적 유속 흡수체가 관측되었으며, O iv 및 O v 선은 경미하게 이온화된 기체에서 기인할 수 있으나, 이온화 메커니즘은 아직 확정되지 않았다.