[논문 리뷰] RX J0440.9+4431: another supercritical X-ray pulsar

Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 28.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2023년 초의 거대한 활성화 기간 동안 NuSTAR, INTEGRAL, NICER 및 Swift 자료를 사용하여 Be/X선 이중성 RX J0440.9+4431의 첫 번째 세밀한 스펙트럼 및 시간 분석을 제시한다. 2.8×10³⁷ erg s⁻¹ 근처에서 초임계적 물질 붕괴의 시작을 나타내는 빛의 세기 전이를 확인하였으며, 펄스 프로파일과 스펙트럼 경도에 급격한 변화가 관측되었다. 이 연구는 이전에 보고된 30 keV 사이클로트론 선이 실질적으로 존재하지 않으며, 자기장 강도가 약 10¹³ G임을 시사한다.

ABSTRACT

In the beginning of 2023 the Be transient X-ray pulsar RX J0440.9+4431 underwent a fist-ever giant outburst observed from the source peaking in the beginning of February and reaching peak luminosity of $\sim 4.3 imes10^{37}$ erg s$^{-1}$. Here we present the results of a detailed spectral and temporal study of the source based on NuSTAR, INTEGRAL, Swift, and NICER observations performed during this period and covering wide range of energies and luminosities. We find that both the pulse profile shape and spectral hardness change abruptly around $\sim2.8 imes10^{37}$ erg s$^{-1}$, which we associate with a transition to super-critical accretion regime and erection of the accretion column. The observed pulsed fraction decreases gradually with energy up to 20 keV (with a local minimum around fluorescence iron line), which is unusual for an X-ray pulsar, and then rises rapidly at higher energies with the pulsations significantly detected up to $\sim120$ keV. The broadband energy spectra of RX J0440.9+4431 at different luminosity states can be approximated with a two-hump model with peaks at energies of about 10-20 and 50-70 keV previously suggested for other pulsars without additional features. In particular an absorption feature around 30 keV previously reported and interpreted as a cyclotron line in the literature appears to be absent when using this model, so the question regarding the magnetic field strength of the neutron star remains open. Instead, we attempted to estimate field using several indirect methods and conclude that all of them point to a relatively strong field of around $B\sim 10^{13}$ G.

연구 동기 및 목표

• 2023년 초의 RX J0440.9+4431 거대 활성화 기간 동안의 스펙트럼 및 시간적 변화를 조사하기 위해.
• 이전에 보고된 30 keV 사이클로트론 공명 산란 특징(CRSF)이 물리적으로 실재하는지, 아니면 스펙트럼 모델링의 오류로 인한 것인지 판단하기 위해.
• 스펙트럼 특징에서의 모호함을 감안할 때 간접 방법을 사용하여 밀도성의 자기장 강도를 추정하기 위해.
• 부하에서 초임계적 물질 붕괴로의 축적 제도 전이와 그가 펄스 프로파일 및 스펙트럼 경도에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 3–120 keV 범위의 넓은 밴드 스펙트럼 연속체를 단순 평균 및 단일 주기별 스펙트럼 모델링을 통해 특성화하기 위해.

제안 방법

• 활동 곡선의 여러 관측 기간 동안 NuSTAR, INTEGRAL, NICER 및 Swift로부터의 동시 폭넓은 X선 데이터 분석.
• 이전에 사용된 30 keV 사이클로트론 선을 포함한 모델 대신, 두 개의 봉우리가 있는 comptt+comptt 모델을 사용하여 단순 평균 및 단일 주기별 스펙트럼 피팅.
• 강도-경도도를 적용하여 약 2.8×10³⁷ erg s⁻¹에서 빛의 세기 전이를 식별하고, 이를 초임계적 물질 붕괴의 시작으로 해석.
• 120 keV까지의 에너지 대역에서 펄스 프로파일 분석을 수행하여, 20 keV 근처에서 최소값을 보이며 26 keV 이상에서 급격히 증가하는 비단순적인 펄스 분율을 규명.
• 스핀 증가율 측정 및 냉각 디스크 축적 빛의 세기 자료를 활용하여 스펙트럼 선에 의존하지 않는 방식으로 중성자별의 자기장 강도를 제약.
• 30 keV 흡수 특징이 포함된 모델과 포함되지 않은 모델 간의 통계적 비교를 통해 그 중요성을 시험하고, 데이터에서 그 필요성이 없음을 결론 내림.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 2.8×10³⁷ erg s⁻¹에서의 빛의 세기 전이는 RX J0440.9+4431에서 초임계적 물질 붕괴의 시작을 나타내는가?
• RQ2 이전에 보고된 30 keV 사이클로트론 공명 산란 특징(CRSF)은 실질적인 스펙트럼 특징인가, 아니면 스펙트럼 모델링 오류로 인한 것인가?
• RQ3 감지 가능한 CRSF가 없는 상황에서 RX J0440.9+4431의 중성자별 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ4 활동 기간 동안 에너지 및 빛의 세기에 따라 펄스 프로파일 형태와 펄스 분율은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 두 스펙트럼 봉우리의 온도와 철 라인 매개변수들은 X선 빛의 세기에 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 약 2.8×10³⁷ erg s⁻¹에서의 빛의 세기 전이는 초임계적 물질 붕괴의 시작을 나타내며, 이와 함께 펄스 프로파일 형태와 스펙트럼 경도에 급격한 변화가 수반된다.
• 전이 이전에는 이중 봉우리 구조를 보이던 펄스 프로파일이 전이 이후 단일 봉우리로 변화하며, 약 2.6×10³⁷ erg s⁻¹ 이하의 빛의 세기에서 골이 생기다가, 에너지 분석에서 26 keV 이상에서 봉우리로 변한다.
• 펄스 분율은 약 20 keV까지 점진적으로 감소하고 철 Kα 라인 근처에서 局부 최소값을 보이며, 26 keV 이상에서 급격히 증가한다. 120 keV까지의 뚜렷한 펄스 신호가 관측된다.
• 넓은 밴드 스펙트럼은 10–20 keV와 50–70 keV 근처에 봉우리를 가진 두 개의 컴프턴-형 탄성 확산 모델(comptt+comptt)으로 가장 잘 기술되며, 30 keV 사이클로트론 선 특징이 필요하지 않다.
• 두 봉우리 모델을 사용할 경우 이전에 보고된 30 keV 흡수 특징은 데이터에 의해 지지되지 않아, 이는 실질적인 사이클로트론 선이 아니며 허구적일 가능성이 높다.
• 스핀 증가율, 초임계적 물질 붕괴 전이 및 냉각 디스크 축적 빛의 세기 자료를 활용하여 자기장 강도를 약 10¹³ G로 추정하였으며, 이는 여러 간접 방법에서 일관되게 도출된다.