[论文解读] Frequency resolved spectroscopy of Cyg X-1: fast variability of the Fe K_alpha line

M. Revnivtsev, M. Gilfanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

本研究利用RXTE数据进行频域分辨光谱分析，研究天鹅座X-1在硬态期间的Fe Kα线，发现该线的等效宽度随频率增加而减小——在~10 Hz以上时降低一半。这表明反射体尺寸紧凑（~5×10⁸ cm），或高频变化起源于一个几何上独立、反射较弱的内吸积区。

ABSTRACT

We studied the frequency resolved energy spectra of Cyg X--1 during the standard low (hard) spectral state using the data of the Rossi X-Ray Timing Explorer. We found that the relative amplitude of the reflection features -- the iron fluorescent line at ~6.5 keV and the smeared edge above ~7 keV -- decreases with the increasing frequency. In particular we found that the equivalent width of the iron line decreases above ~1 Hz and drops twice at frequency of ~10 Hz. An assumption that such behavior is solely due to a finite light crossing time of the reflecting media, would imply the characteristic size of the reflector ~5E8 cm, corresponding to ~150 Rg for a 10Msun black hole. Alternatively lack of high frequency oscillations of the reflected component may indicate that the short time scale, ~50-100 msec, variations of the primary continuum appear in geometrically different, likely inner, part of the accretion flow and give a rise to a significantly weaker, if any, reflected emission than the longer time scale events.

研究动机与目标

• 研究天鹅座X-1在硬谱态期间Fe Kα线的能量依赖性变异性。
• 确定主连续谱的高频变异性是否影响反射发射成分。
• 通过时域-谱分析约束X射线反射介质的尺寸和位置。
• 检验光行时延迟是否可解释观测到的频率依赖性线抑制。
• 探讨吸积流中快速变异性在几何与物理上的起源。

提出的方法

• 对RXTE/ASM和PCA数据执行能量分辨互功率谱密度函数（CPSD）分析，以提取频率依赖的功率谱。
• 构建能量分辨功率谱，以在不同频带中分离Fe Kα线（~6.5 keV）和康普顿峰（~7 keV）的响应。
• 测量Fe Kα线等效宽度随傅里叶频率的变化，以评估其变异性幅度。
• 利用高频段线振幅的滚降特性，通过光行时延迟估算反射体的特征尺寸。
• 将观测到的高频抑制与相对论性吸积盘中再处理的理论模型进行比较。
• 评估反射成分中缺乏高频调制对内吸积流几何结构的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1中Fe Kα线的等效宽度如何随傅里叶频率变化？
• RQ2 观测到的反射特征频率依赖性抑制对反射体的物理尺寸有何暗示？
• RQ3 反射成分中缺乏高频调制是由于光行时延迟还是与主源存在几何分离所致？
• RQ4 主连续谱在~50–100 ms timescales的变异性是否起源于一个反射发射远弱于长 timescale 变异的区域？
• RQ5 观测行为是否可由一个紧凑、相对论性展宽的再处理区域解释，还是需要一个独立的内流几何结构？

主要发现

• Fe Kα线的等效宽度随频率增加而减小，在~10 Hz以上降低一半。
• 高频段反射特征的抑制暗示反射体的特征尺寸约为~5×10⁸ cm，对应于10 M☉黑洞的~150个引力半径（Rg）。
• 观测到的频率依赖性无法仅由光行时延迟完全解释，表明主X射线源与反射体之间存在几何分离。
• 反射成分中缺乏高频调制表明，主连续谱中短 timescale 变化（~50–100 ms）可能起源于吸积流中一个独立的内区。
• 数据表明，内吸积流可能产生显著较弱或无反射发射，与长 timescale 变异相比。
• 结果支持一种情景：主X射线发射与再处理发生在空间分离的区域，后者对快速波动的响应较弱。