[论文解读] Gamma-ray binaries: microquasars and binary systems with pulsar

J. M. Paredes|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本文综述了伽马射线双星系统中高能伽马射线辐射，包括像天鹅座X-1和天鹅座X-3这样的微类星体，以及像PSR B1259−63这样的脉冲星驱动系统，还有状态模糊的系统LS I +61 303和LS 5039。文章对比了吸积驱动与脉冲星风驱动的辐射机制，强调了大质量O/B型恒星作为种子光子和靶核的来源作用，并提供了在轨道相位中存在可变性、周期性的VHE和HE伽马射线辐射的观测证据。

ABSTRACT

Several binary systems have been detected at High Energy (HE, E > 100 MeV) and/or Very High Energy (VHE, E > 100 GeV) gamma rays. Some of them are X-ray binaries in which accretion feeds relativistic radio jets and powers the non-thermal emission (i.e., microquasars), whereas in others the power comes from the wind of a young pulsar instead of accretion. Although the power mechanism in these systems is different (accretion vs pulsar wind), all of them are radio, X-ray and gamma-ray emitters, and have a high-mass bright companion (O or B) star that is a source of seed photons for IC scattering and target nuclei for hadronic interactions. I review here some of the main observational results on the non-thermal emission from X-ray binaries as well as some of the proposed scenarios to explain the production of gamma rays.

研究动机与目标

• 综合高能伽马射线双星中非热辐射的观测结果，包括吸积驱动的微类星体和脉冲星风驱动的系统。
• 研究大质量O/B型恒星在提供逆康普顿散射的种子光子和强子相互作用的靶核方面的作用。
• 评估双星系统中吸积驱动与脉冲星风驱动伽马射线辐射机制之间的区别。
• 评估由于质量测量不明确和轨道倾角不确定，导致对LS I +61 303和LS 5039等系统中致密天体分类的当前不确定性。
• 总结来自Fermi、AGILE、MAGIC、H.E.S.S.和VLBI的多波段观测结果，以约束辐射模型和源几何结构。

提出的方法

• 分析来自X射线、射电和伽马射线天文台（Fermi、AGILE、MAGIC、H.E.S.S.、INTEGRAL、VLA、VLBA、LBA）在轨道周期内的多波段数据。
• 利用VLBI和长基线干涉测量技术，在亚毫角秒分辨率下成像射电结构，揭示了PSR B1259−63和LS 5039中可变的、延伸的射电特征。
• 通过轻子过程（同步辐射/逆康普顿）和强子过程（pp相互作用）的建模，解释光变曲线和能谱分布，以解释伽马射线辐射。
• 评估双星环境中由于对产生而导致的TeV光学厚度，以约束伽马射线辐射源的位置。
• 对伽马射线调制进行轨道相位分辨分析，以识别周期性，并与X射线和射电状态相关联。
• 在不同磁场强度和粒子加速效率假设下，比较辐射模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么机制驱动伽马射线双星中的高能伽马射线辐射——吸积还是脉冲星风？
• RQ2 大质量O/B型恒星的特性如何通过逆康普顿散射和强子相互作用影响高能光子的产生？
• RQ3 为什么低质量X射线双星未在高能伽马射线波段被探测到，而高质质量系统却能被探测到？
• RQ4 LS I +61 303和LS 5039中的致密天体的本质是什么，这如何影响其伽马射线辐射的解释？
• RQ5 当前的轻子或强子辐射模型能否解释观测到的VHE和HE辐射的变异性与轨道调制？

主要发现

• 在天鹅座X-1的硬X射线爆发期间，观测到4.1σ的TeV辐射信号，TeV辐射源可能位于双星系统的边缘，以避免对产生导致的光学厚度。
• 天鹅座X-3在100 MeV以上的伽马射线中表现出清晰的轨道调制，使其成为首个在高能伽马射线中被明确探测到的微类星体。
• AGILE探测到来自天鹅座X-1和PSR B1259−63的瞬态伽马射线发射（>100 MeV），其与硬X射线状态和轨道相位相关。
• 对PSR B1259−63的VLBI观测揭示了在不同轨道相位下，从脉冲星偏移的可变、延伸的射电发射，表明来自相对论喷流的非热辐射。
• LS I +61 303表现出每26.496天一次的周期性射电爆发，并具有进动的喷流状结构，与脉冲星风与恒星风相互作用一致。
• LS 5039表现出持续的非热射电辐射和双极射电结构，形态在五天内发生变化，表明存在相对论喷流动力学。