[論文レビュー] Normalizing a Relativistic Model of X-ray Reflection: The Definition of the Reflection Fraction and its Implementation in relxill

Thomas Dauser, J. Garcia+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 34被引用数 68

ひとこと要約

この論文では、相対論的X線反射モデルにおける新しい正規化パラメータである反射率 $ R_{\mathrm{f}} $ を導入・形式化した。$ R_{\mathrm{f}} $ は、ブラックホールのスピンや傾きに依存せず、ディスクを照らすコロナの強度と観測者に到達する強度の比を定量化する。relxill および xillver モデルに実装された $ R_{\mathrm{f}} $ は、コロナの位置（例：ランプポストの高さ）に対する直接的な幾何的制約を可能にし、古くなった反射強度 $ R_{\mathrm{s}} $ よりも物理的解釈性が向上する。$ R_{\mathrm{s}} $ はシステムパラメータに依存するため、その点で劣っている。

ABSTRACT

The only relativistic reflection model that implements a parameter relating the intensity incident on an accretion disk to the observed intensity is relxill. The parameter used in earlier versions of this model, referred to as the reflection strength, is unsatisfactory, and it has been superseded by a parameter that provides insight into the accretion geometry, namely the reflection fraction. The reflection fraction is defined as the ratio of the coronal intensity illuminating the disk to the coronal intensity that reaches the observer. The relxill model combines a general relativistic ray-tracing code and a photoionization code to compute the component of radiation reflected from an accretion that is illuminated by an internal source. The reflection fraction is a particularly important parameter for relativistic models with well-defined geometry, such as the lamppost model, which is a focus of this paper. Relativistic spectra are compared for three inclinations and for four values of the key parameter of the lamppost model, namely the height above the black hole of the illuminating, on-axis point source. In all cases, the strongest reflection is produced for low source heights and high spin. A low-spin black hole is shown to be incapable of producing enhanced relativistic reflection. Results for the relxill model are compared to those obtained with other models and a Monte Carlo simulation. Fitting data using the relxill model and the recently implemented parameter the reflection fraction, one can constrain the geometry of a system, under the assumption of a lamppost-like accretion geometry. The reflection fraction is independent of such system parameters as inclination and black hole spin. The reflection fraction parameter was implemented with the name refl_frac in all flavors of the relxill model, and the nonrelativistic reflection model xillver, in v0.4a (18 January 2016).

研究の動機と目的

• ブラックホールのスピンや傾きといったシステムパラメータに依存しない、物理的に意味のある正規化パラメータを相対論的X線反射モデルに定義すること。
• 古くなった反射強度 $ R_{\mathrm{s}} $ を置き換え、特にランプポストモデルにおいて、降着幾何の洞察を提供する新しいパラメータを導入すること。
• 観測データのフィッティングを通じて $ R_{\mathrm{f}} $ を用いて、照射コロナの幾何（例：源の高さ）を直接制約できるようにすること。
• 非相対論的（xillver）および相対論的（relxill）モデル間の正規化を統一し、同一のパラメータ名（refl_frac）を用いることで一貫性を確保すること。

提案手法

• 光路の相対論的効果をすべて組み込んだ状態で、ディスクを照らすコロナの強度と観測者に到達する強度の比として、反射率 $ R_{\mathrm{f}} $ を定義する。
• 一般相対論的光線追跡コードと光電離化コードを組み合わせ、relxill モデルに $ R_{\mathrm{f}} $ を実装し、反射スペクトルを計算する。
• コロナをブラックホールの回転軸上に点光源としてモデル化するランプポスト幾何を用いて、$ R_{\mathrm{f}} $ を厳密に計算し、源の高さやスピンといった物理的パラメータと関連付ける。
• relxill の結果を他のモデル（pexrav, xillver）およびモンテカルロシミュレーションと比較し、新しい正規化の妥当性を検証する。
• 標準的な relxill モデルでは、物理的現実性に限界があるが、ディスクに密着する薄い層（razor-thin layer）の簡略化幾何を採用する。
• 2016年1月18日付で、relxill および xillver v0.4a に、'refl_frac' という名前の新しいパラメータをリリースし、広く使われている pexrav モデルと整合性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的X線反射モデルの正規化を、ブラックホールのスピンや傾きに依存しない幾何的洞察を提供する形に再定義することは可能か？
• RQ2 反射率 $ R_{\mathrm{f}} $ の物理的・数学的定義は何か？ また、反射強度 $ R_{\mathrm{s}} $ とはどのように異なるか？
• RQ3 ランプポストモデルにおける照射源の高さを $ R_{\mathrm{f}} $ を用いて制約できるか？ その観測スペクトルに与える影響は何か？
• RQ4 relxill および xillver における $ R_{\mathrm{f}} $ の実装は、反射強度よりもX線反射データの解釈性をどのように向上させるか？

主な発見

• 反射率 $ R_{\mathrm{f}} $ はブラックホールのスピンや傾きに依存しないため、幾何的診断パラメータとして堅牢である。
• 低源高および高スピンのランプポストモデルでは、相対論的反射特徴が最も強くなることが、4つの源高さと3つの傾きについてのスペクトル比較で確認された。
• 低スピンブラックホールでは、光子の大部分がブラックホールに捕獲されるため、相対論的反射が強化されることはない。これは、$ R_{\mathrm{f}} $ の大きな値が得られないことを意味する。
• パラメータ $ R_{\mathrm{f}} $ は、'refl_frac' という名前で、relxill および xillver v0.4a に正常に実装され、X線反射データの一貫性があり物理的に意味のあるフィッティングを可能にした。
• 反射率は、特に内側ディスク半径が大きい系において、物理的に不適切な $ R_{\mathrm{f}} $ 値を除外することでスピンパラメータの制約を追加で可能にする。
• 新しい正規化により、観測スペクトルから直接的な幾何的推論が可能となり、特に $ R_{\mathrm{f}} $ が源高と強く関連するランプポスト幾何のような明確な幾何構造において顕著である。