[论文解读] Magnetic Field Measurement in Black Hole X-Ray Binary Cygnus X-1

E. A. Karitskaya, N. G. Bochkarev+6 more|ArXiv.org|Aug 19, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 28被引用 5

一句话总结

本研究首次利用VLT FORS1光谱偏振仪，直接探测到黑洞X射线双星Cygnus X-1吸积盘中的磁场。在O型超巨星组分上测得纵向磁场约为130 G，显著性达6σ；在外层吸积结构中测得约600 G，显著性为4σ，支持X射线毫秒闪烁源于磁场能量耗散的磁起源理论。

ABSTRACT

X-ray binary Cygnus X-1 is microquasar containing historically first candidate to black hole. Paradigm of magnetic disc accretion dominates in theoretical models describing processes taking place in objects containing black holes such as microquasars and active galactic nuclei. Nevertheless up to now there were no reliable measurements of magnetic fields in these systems. The first prediction of the Cyg X-1 magnetic field was done by V.F.Shvartsman. He wrote that Cyg X-1 X-ray emission millisecond flickering evidences the presence of a black hole and points to the magnetic field role in accretion onto a black hole. From that times there were many of attempts to search for the Cyg X-1 magnetic field but all of these efforts indicated upper limits only. Our VLT FORS1 2007 and 2008 observations revealed a presence of a magnetic field in the system. For the first time we obtained on the level of 6 standard deviations a magnetic field of the order of 130 G on the surface of the Cyg X-1 optical component (O-supergiant) and observational estimation on a 4 sigma level of a magnetic field on a outer part of accretion structure (about 600 G) in accordance with theoretical prediction. Scaling this field value to black hole vicinity we showed that the field is strong enough to explain the X-ray millisecond flickering and can explain it. Our result presents the first direct determination of magnetic field in accreting disk around a black hole.

研究动机与目标

• 直接测量类太阳质量黑洞X射线双星Cygnus X-1吸积盘中的磁场。
• 检验理论预测：吸积结构中的磁场可解释X射线毫秒闪烁现象。
• 利用高灵敏度光谱偏振测量，确定O型超巨星组分光球层及外层吸积结构中的磁场强度。
• 评估磁场在黑洞系统吸积动力学与能量耗散中的作用。
• 建立黑洞吸积盘磁场强度的基准值，验证如磁耦合模型等理论模型。

提出的方法

• 2007年和2008年共13晚，利用VLT FORS1光谱仪（R = 4000，信噪比S/N = 1500–3500）进行光谱偏振观测。
• 通过Zeeman效应，利用V/I与X之间的线性回归斜率推导纵向磁场⟨Bz⟩，其中X = -4.67×10⁻¹³ × g_eff × ⟨Bz⟩ × λ² × (1/I) × dI/dλ。
• 所有测量均假设有效朗德因子g_eff为1.07。
• 采用射电天文方法（RA）进行多普勒层析成像，重建He II λ4686发射线的二维速度结构，识别出L1附近及外层吸积结构的发射区域。
• 对所有观测光谱线进行统计平均，以增强对微弱圆偏振信号的探测灵敏度。
• 结合理论模型（包括Shakura-Sunyaev盘模型及能量等价假设），将磁场强度外推至黑洞附近区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cygnus X-1的吸积盘中是否存在可探测的磁场？其强度如何？
• RQ2 所测得的磁场是否能解释Cygnus X-1中观测到的X射线毫秒闪烁？
• RQ3 磁场强度随轨道相位如何变化？这对吸积流动力学有何启示？
• RQ4 外层吸积结构中的磁场强度是否与基于压缩和磁冻结假设的理论预测一致？
• RQ5 在R ≈ 30×Rg处的磁能通量是多少？是否超过X射线闪烁成分的辐射亮度？

主要发现

• 2007年在轨道相位φ ≈ 0.4时，于O型超巨星组分光球层探测到纵向磁场⟨Bz⟩ = 101 ± 18 G，显著性达5.5σ。
• 2008年在φ ≈ 0.43时，外层吸积结构中测得⟨Bz⟩ = 449 ± 112 G，显著性为4.0σ。
• 外盘磁场强度可达约600 G，与外缘气体压缩导致磁场放大的理论预测一致。
• 在R ≈ 30×Rg处测得的磁能通量约为10³⁷ erg/s，与X射线闪烁成分的辐射亮度（0.5–1×10³⁷ erg/s）相当或更高。
• 黑洞磁矩估计约为10³⁰ G·cm³，表明Cygnus X-1可归类为磁性极紧凑天体（MECO）。
• 磁场结构随时间变化，2007年与2008年多普勒层析图映射结果不同，表明吸积流存在长期变化。