[論文レビュー] An unusually bright and long outburst of Cygnus X-1 observed with INTEGRAL

J. Malzac, P. Lubiński+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2006年9月に発生した通常とは異常に明るく長期間にわたる増光期間中の Cygnus X-1 の INTEGRAL 観測を報告する。この観測により、光子指数 Γ ≈ 1.4 で高エネルギー端 cut-off が Ec ≈ 130–140 keV に位置する安定した低/ハード状態スペクトルが得られた。データは、Cyg X-1 が Eddington 磁化度の約 2–3% に達するまで低/ハード状態に留まったことを示しており、以前の高フラックス領域でのハイ状態への遷移に関する仮説に疑問を呈する。

ABSTRACT

Aims. We present INTEGRAL light curves and spectra of the black-hole binary Cyg X-1 during a bright event that occured in 2006 September, and which was simultaneous with a detection at 0.1–1 TeV energies by the MAGIC telescope. Methods. We analyse the hard X-ray emission from 18 to 700 keV with the INTEGRAL data taken on 2006 September 24–26 by the IBIS and SPI instruments. These data are complemented with RXTE All Sky Monitor data at lower energy. We present the light curves and fit the high energy spectrum with various spectral models. Results. Despite variations in the flux by a factor of∼2 in the the 20–700 keV energy band, the shape of the energy spectrum remained remarkably stable. It is very well represented by an e-folded power law with the photon index ofΓ≃1.4 and a high energy cut-off at Ec ≃ 130–140 keV. The spectrum is also well described by thermal Comptonisation including a moderate reflection component, with the solid angle of the reflector of ∼ 0.4×2π. The temperature of the hot Comptonising electrons is kTe ∼ 70 keV and their Thomson optical depth isτ∼2.5. These spectral properties are typical of those observed in the low/hard state. This shows that Cyg X-1 may stay in the low hard state at least up to the flux level of 2 Crab, which corresponds to∼2–3 per cent of the Eddington luminosity. It is the first time a persistent high-mass black-hole binary is observed at a few percent of the Eddington luminosity with a stable low/hard

研究の動機と目的

• 2006年9月に発生した通常とは異常に明るく長期間にわたる増光期間中の Cygnus X-1 のスペクトル的および時間的挙動を特徴づけること。
• Cyg X-1 が、Eddington 磁化度の数パーセントに近い高フラックス領域でも低/ハード状態に留まるかどうかを特定すること。
• 高エネルギー INTEGRAL データを用いて硬いX線放射のスペクトル的性質を調査し、RXTE/ASM データと併用すること。
• 観測されたスペクトルが、カットオフ・パワー・ロウまたは反射成分を伴う熱的コンプトン化モデルによって最もよく記述されるかどうかを検証すること。

提案手法

• 2006年9月24日から26日にかけて、18–700 keV をカバーする INTEGRAL IBIS および SPI 機器からの硬X線光 light curve およびスペクトルの分析。
• 20 keV 未満の低エネルギー領域をカバーするため、RXTE All Sky Monitor データを補完的に使用。
• 高エネルギースペクトルに複数のモデル（e-folded パワー・ロウおよび反射を伴う熱的コンプトン化）を適合。
• モデル比較により、光子指数、カットオフエネルギー、電子温度（kTe）、トマソン光学厚さ（τ）、反射体の立体角などの最適適合パラメータを特定。
• 20–700 keV バンドで約2倍のフラックス変動が見られる中でも、スペクトルの安定性を評価。
• MAGIC望遠鏡による同時 TeV 検出結果を活用し、高エネルギー放射の文脈を整理。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cyg X-1 は、Eddington 磁化度の 2–3% に近いフラックス領域でも低/ハード状態を維持できるか？
• RQ2 顕著なフラックス変動を伴う明るい増光期間中、Cyg X-1 の高エネルギースペクトルはどの程度安定しているか？
• RQ3 観測されたスペクトルは、単純なカットオフ・パワー・ロウモデルか、より複雑な反射を伴う熱的コンプトン化モデルのどちらによってよりよく記述されるか？
• RQ4 この増光期間中に、コンプトン化プラズマの物理的パラメータ（電子温度 kTe や光学厚さ τ）は何か？
• RQ5 高フラックス領域で安定した硬いスペクトルが観測されたことは、ブラックホール連星における降着状態および状態遷移にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 20–700 keV バンドで約2倍のフラックス変動が見られる中でも、Cyg X-1 の硬X線スペクトルは顕著に安定していた。
• スペクトルは、光子指数 Γ ≈ 1.4 で高エネルギー端が Ec ≈ 130–140 keV に位置する e-folded パワー・ロウによって最もよく記述された。
• kTe ≈ 70 keV および τ ≈ 2.5 の熱的コンプトン化モデルに加え、約 0.4×2π の立体角を持つ中程度の反射成分も良好に適合した。
• 源は、Eddington 磁化度の約 2–3% の輝度まで低/ハード状態に留まったが、これは以前に観測された遷移よりも顕著に高い値であった。
• これは、このような高フラックス領域で恒久的な高質量ブラックホール連星が低/ハード状態に留まる最初の観測であり、この状態の安定範囲がより広い可能性を示唆している。
• MAGIC による同時 TeV 検出は、この状態における極めて高エネルギーの放射が非熱的過程（コロナ内）によって生じていることを確認しており、一貫性がある。