[论文解读] Detection of gamma rays of likely jet origin in Cygnus X-1

R. Zanin, Alba Fernández-Barral+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 75被引用 30

一句话总结

本研究报告在8σ显著性水平下探测到天鹅座X-1在60 MeV以上的高能伽马射线辐射，其亮度为5.5 × 10³³ erg s⁻¹。该辐射与硬X射线状态及相对论性射电喷流强烈相关，其能谱可用光子指数为2.3 ± 0.2的幂律模型良好拟合，支持喷流中相对论性电子对恒星光子的逆康普顿散射，表明GeV辐射起源于喷流。

ABSTRACT

Aims: Probe the high-energy ($>$60 MeV) emission from the black hole X-ray binary system, Cygnus X-1, and investigate its origin. Methods: We analysed 7.5 yr of data by Fermi/LAT with the latest PASS8 software version. Results: We report the detection of a signal at $\sim$8 $σ$ statistical significance spatially coincident with Cygnus X-1 and a luminosity above 60 MeV of 5.5$ imes$10$^{33}$ erg s$^{-1}$. The signal is correlated with the hard X-ray flux: the source is observed at high energies only during the hard X-ray spectral state, when the source is known to display persistent, relativistic radio emitting jets. The energy spectrum, extending up to $\sim$20 GeV without any sign of spectral break, is well fitted by a power-law function with a photon index of 2.3$\pm$0.2. There is a hint of orbital flux variability, with high-energy emission mostly coming around the superior conjunction. Conclusions: We detected GeV emission from Cygnus X-1 and probed that the emission is most likely associated with the relativistic jets. The evidence of flux orbital variability points to the anisotropic inverse Compton on stellar photons as the mechanism at work, thus constraining the emission region to a distance $10^{11}-10^{13}$ cm from the black hole.

研究动机与目标

• 研究天鹅座X-1（一个黑洞X射线双星系统）中≥60 MeV高能伽马射线辐射的起源。
• 确定观测到的高能辐射是否与相对论性喷流相关，如射电和X射线活动所示。
• 通过分析与源光谱状态相关的光谱和通量变异性，约束辐射机制。
• 检验逆康普顿散射恒星光子是否为喷流中主导辐射机制的假设。
• 评估未来使用CTA观测和扩展的Fermi-LAT数据探测光谱截止的可能性。

提出的方法

• 分析7.5年的Fermi-LAT Pass 8数据，以探测并表征天鹅座X-1的高能伽马射线辐射。
• 通过伽马射线信号与天鹅座X-1已知位置的空间交叉相关性，确认源关联性。
• 使用幂律模型对能谱分布进行拟合，以确定光子指数并搜索光谱转折点。
• 对轨道相位中的通量变异性进行时间分析，以识别与喷流几何结构或视线方向相关的调制。
• 将伽马射线辐射与同时段的硬X射线和射电数据进行比较，以关联到硬光谱状态和喷流活动。
• 利用档案多波段数据（X射线、INTEGRAL、BeppoSAX）构建全波段能谱能量分布（SED），以提供上下文背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1的高能伽马射线辐射在空间上是否与致密天体重合，并与喷流起源一致？
• RQ2 伽马射线通量是否与硬X射线光谱状态及持续存在的相对论性喷流活动相关？
• RQ3 伽马射线辐射的光谱形状如何？是否存在高能截止的证据，表明存在辐射损失？
• RQ4 能否检测到与轨道相位相关的伽马射线通量变异性？其对辐射几何结构有何含义？
• RQ5 主导GeV辐射机制是什么？与涉及同步辐射或强子过程的模型相比如何？

主要发现

• 在60 MeV以上探测到显著性达8σ的伽马射线信号，亮度为5.5 × 10³³ erg s⁻¹。
• 伽马射线辐射与硬X射线光谱状态及相对论性射电喷流的存在强烈相关，表明其起源于喷流。
• 能谱可用光子指数为2.3 ± 0.2的幂律模型良好描述，能量延伸至约20 GeV且无光谱转折。
• 观测到轨道相位的通量变异性，伽马射线辐射在上合点附近增强，表明存在方向性辐射。
• 观测到的变异性支持相对论性电子对恒星光子的逆康普顿散射为主导辐射机制。
• 辐射区域被限制在距离黑洞10¹¹–10¹³ cm范围内，与喷流起源一致。