[論文レビュー] Spectral Analysis of New Black Hole Candidate AT2019wey Observed by NuSTAR

Ye Feng, Xueshan Zhao+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 83被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、新規ブラックホール候補天体AT2019weyのNuSTAR観測データを用いて、低・ハード状態における詳細なスペクトル解析を実施し、相対論的反射モデルrelxillを応用してその物理的パラメータを制約した。解析の結果、$ a^* \sim 0.97 $ のほぼ極限に近いブラックホールスピンが得られ、これは内側円運動安定軌道（ISCO）に達する内側ディスク半径に一致しており、また鉄の過剰度（$ A_{Fe} \sim 5 \, A_{Fe,\odot} $）と高いディスクイオン化状態（$ \log \xi \sim 3.4-3.6 $）も示された。

ABSTRACT

AT2019wey is a new galactic X-ray binary that was first discovered as an optical transient by the Australia Telescope Large Area Survey (ATLAS) on December 7, 2019. AT2019wey consists of a black hole candidate as well as a low-mass companion star ($M_{ ext {star }} \lesssim 0.8 M_{\odot}$) and is likely to have a short orbital period ($P_{ ext {orb }} \lesssim 8$ h). Although AT2019wey began activation in the X-ray band during almost the entire outburst on March 8, 2020, it did not enter the soft state during the entire outburst. In this study, we present a detailed spectral analysis of AT2019wey in the low/hard state during its X-ray outburst on the basis of Nuclear Spectroscopic Telescope Array \emph observations. We obtain tight constraints on several of its important physical parameters by applying the State-of-art exttt{relxill} relativistic reflection model family. In particular, we determine that the measured inner radius of the accretion disk is most likely to have extended to the innermost stable circular orbit (ISCO) radius, i.e., $R_{ ext{in}}=1.38^{+0.23}_{-0.16}~R_{ ext{ISCO}}$. Hence, assuming $R_{ ext{in}}$=$R_{ ext{ISCO}}$, we find the spin of AT2019wey to be $a_{*}\sim$ $0.97$, which is close to the extreme and an inner disk inclination angle of ~$i\sim$ $22 ^{\circ}$. Additionally, according to our adopted models, AT2019wey tends to have a relatively high iron abundance of $A_{\mathrm{Fe}}\sim$ 5 $A_{\mathrm{Fe}, \odot}$ and a high disk ionization state of $\log \xi\sim$ 3.4.

研究の動機と目的

• 新規に発見されたX線連星AT2019weyにおけるブラックホールのスピンを、高エネルギーX線分光法を用いて特定すること。
• 内側ディスク半径が内側円運動安定軌道（ISCO）に達しているかどうかを制約し、相対論的反射モデルによるスピン測定の前提条件を検証すること。
• relxill相対論的反射モデルファミリーを用いて、イオン化状態、鉄過剰度、傾き角といった、降着ディスクの物理的状態を調査すること。
• 相対論的・非相対論的反射モデルの複数のモデル変種を用いて、スピンおよびディスクパラメータ推定の妥当性を評価し、コロナの流出などのシステム的効果を検討すること。

提案手法

• XSPEC v12.11.15 を用い、$ \chi^2 $ 統計に基づき、3.0–79.0 keV のエネルギー領域でNuSTAR FPMA および FPMB データの同時スペクトルフィッティングを実施した。
• 最新のrelxill相対論的反射モデルファミリーを適用し、降着ディスクによる一次連続スペクトルの再プロセッシング（相対論的スメアリングおよびコンプトン化効果を含む）をモデル化した。
• スペクトルフィッティングにおけるデゲネラシーを低減するため、HI Profile Searchウェブサイトから得られた $ N_H = 3.39 \times 10^{21} \, \text{cm}^{-2} $ として水素列密度を固定した。
• XSPECにおけるCrab補正モデル（crabcor）を用い、同時観測された蟹星雲のデータに基づいて絶対的フレックスをキャリブレーションした。
• 相対論的（relxill）および非相対論的（xillver）の反射モデルを含む複数のモデル構成をテストし、結果の一貫性を評価した。
• 反射率を制約し、コロナの流出がスペクトル特徴に与える影響を、$ \Gamma \approx 1.9 / \sqrt{B} $ の歪みモデルを用いて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AT2019weyにおけるブラックホールのスピンは何か？ また、内側ディスク半径がISCOに達しており、相対論的反射モデルによる信頼できるスピン測定が可能か？
• RQ2 降着ディスクの物理的状態（イオン化状態 $ \log \xi $、鉄過剰度 $ A_{Fe} $、傾き角 $ i $）は何か？
• RQ3 強力な反射特徴が見られるにもかかわらず、なぜ反射率が低め（$ R_{\text{ref}} \sim 0.3-0.4 $）なのか？ コロナの流出はどのような役割を果たしているか？
• RQ4 相対論的・非相対論的反射モデルといった異なるモデル仮定のもとで、スピンおよびディスクパラメータ推定値の妥当性はどの程度保たれているか？
• RQ5 高いスピンの起源は何か？ これは、誕生時スピンか、降着誘発スピンのどちらを指しているのか？

主な発見

• AT2019weyの内側ディスク半径はISCOと整合的であり、$ R_{\text{in}} = 1.38^{+0.23}_{-0.16} \, R_{\text{ISCO}} $ と評価された。これは、相対論的反射モデルによるスピン測定が有効であることを支持する。
• ブラックホールスピンは $ a^* = 0.97^{+0.02}_{-0.03} $ と測定され、ほぼ極限のカー・ブラックホールであることが示された。
• ディスクの傾き角は $ i = 22.0^{+2.6}_{-2.9}^\circ $ と制約され、低傾きのディスク幾何学的形状と整合的であった。
• 鉄過剰度は太陽値を大幅に上回り、$ A_{Fe} = 5.3^{+0.7}_{-0.4} \, A_{Fe,\odot} $ と測定された。
• ディスクのイオン化状態は高く、$ \log \xi = 3.6 \pm 0.1 $ と評価され、強いX線照射状態を示した。
• テストしたすべてのモデルで、$ 1\sigma $ の範囲内で一貫したスピン値（$ a^* \sim 0.96-0.97 $）が得られ、結果の妥当性が確認された。