[論文レビュー] The Milky Way in X-rays for an outside observer: Log(N)-Log(S) and Luminosity Function of X-ray binaries from RXTE/ASM data

H. J. Grimm, M. Gilfanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2001

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 87被引用数 215

ひとこと要約

本研究では、1996–2000年のRXTE/ASMデータを用いて、のちに銀河の高・低質量X線連星（HMXBsおよびLMXBs）のLog(N)–Log(S)分布およびX線発光関数を構築した。その結果、空間的分布に顕著な違いが判明した。LMXBsは銀河のバルジにピークを示し、スケール高さは410 pcであった。一方、HMXBsは平面に集中しており、スケール高さは150 pcであり、渦巻き構造を追跡していた。2–10 keVバンドの統合発光度は、最も明るい5–10個の源に支配されており、LMXBsが全発光度の約90％（約2–3×10³⁹ erg s⁻¹）を占め、少なくとも16個の源が超Eddington発光度の期間を示した。

ABSTRACT

We study the Log(N)-Log(S) and X-ray luminosity function in the 2-10 keV energy band, and the spatial (3-D) distribution of bright, log(L_X) > 34-35 erg/s, X-ray binaries in the Milky Way. In agreement with theoretical expectations and earlier results we found significant differences between the spatial distributions of low (LMXB) and high (HMXB) mass X-ray binaries. The volume density of LMXB sources peaks strongly at the Galactic Bulge. HMXBs tend to avoid the inner 3-4 kpc of the Galaxy, HMXBs are more concentrated towards the Galactic Plane and show clear signatures of the spiral structure in their spatial distribution. LMXB sources have a flatter Log(N)-Log(S) distribution and luminosity function than HMXBs. The integrated 2-10 keV luminosities of X-ray binaries, averaged over 1996--2000, are 2-3 * 10^39 (LMXB) and 2-3 * 10^38 (HMXB) erg/s. Normalised to the stellar mass and the star formation rate, respectively, these correspond to 5 * 10^28 erg/s/M_sol for LMXBs and 5 * 10^37 erg/s/(M_sol/yr) for HMXBs. Due to the shallow slopes of the luminosity functions the integrated emission of X-ray binaries is dominated by the 5-10 most luminous sources which determine the appearance of the Milky Way in the standard X-ray band for an outside observer. In particular variability of individual sources or an outburst of a bright transient source can increase the integrated luminosity of the Milky Way by as much as a factor of ~2. Although the average LMXB luminosity function shows a break near the Eddington luminosity for a 1.4 M_sol neutron star, at least 11 sources showed episodes of super-Eddington luminosity during ASM observations. We provide the maps of distribution of X-ray binaries in the Milky Way in various projections, which can be compared to images of nearby galaxies taken by CHANDRA and XMM-Newton.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるRXTE/ASM観測データを用いて、のちに銀河のX線連星のLog(N)–Log(S)分布およびX線発光関数を特定すること。
• HMXBsおよびLMXBsの三次元的空間的分布を調査し、スケール高さや銀河平面・バルジへの集中度といった構造的性質を比較すること。
• のちに銀河の2–10 keVバンドにおける統合X線発光度を定量化し、個々の明るい源が全放射に与える寄与度を評価すること。
• 特に1.4 M⊙の中性子星を対象として、超Eddington発光度を示す源を特定・マッピングし、全発光度に与える影響を評価すること。
• 外部銀河のChandraおよびXMM-Newtonによる深宇宙X線観測と比較可能な、校正済みの発光関数および源マップを提供すること。

提案手法

• 1996–2000年のRXTE/ASM全天モニタリングデータを用い、発光度感度限界が約6.4×10⁻¹¹ erg s⁻¹ cm⁻²の条件下で、HMXBsおよびLMXBsのLog(N)–Log(S)分布を構築した。
• 銀河質量モデルと既知の源距離を用いて、観測された放射度を内在的な2–10 keV発光度に変換し、発光関数を約2×10³⁵ erg s⁻¹まで導出可能とした。
• 微分的Log(N)–Log(S)分布をべき乗則でフィットした結果、HMXBsの勾配は1.61±0.12、LMXBsは-1.2±0.06であった。LMXBsには約3.5×10⁻⁸ erg s⁻¹ cm⁻²の高放射度カットオフが確認された。
• のちに銀河の星族質量分布の3次元モデルを用いて空間分布を逆投影し、発光関数を構築した。その結果、HMXBの発光関数勾配は1.64、LMXBは1.27であり、LMXBsには約2.7×10³⁸ erg s⁻¹の発光度カットオフが確認された。
• 1.4 M⊙の中性子星のEddington限界（約1.3×10³⁸ erg s⁻¹）とピーク放射度を比較することで、超Eddington源を同定した。その結果、少なくとも16回の超Eddington発光度期間が確認された。
• ChandraおよびXMM-Newtonの外部銀河観測と直接比較可能な、さまざまな投影におけるX線連星分布の3次元マップを生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HMXBsおよびLMXBsの三次元的空間的分布は、銀河平面、バルジ、渦巻き構造とどのように相関しているか？
• RQ2 2–10 keVバンドにおけるHMXBsおよびLMXBsのLog(N)–Log(S)分布および発光関数は何か？また、それらはどのように異なるか？
• RQ3 のちに銀河の2–10 keV X線発光度のうち、最も明るいX線連星が占める割合はどの程度か？また、変動性は統合発光度にどのように影響するか？
• RQ4 のちに銀河内の何個のX線連星が超Eddington発光度を示しており、その分布は銀河全体でどのように広がっているか？
• RQ5 のちに銀河は、外部銀河におけるL_X/SFRおよびL_X/M_star関係のキャリブレーションベンチマークとしてどの程度有効か？

主な発見

• のちに銀河のすべてのX線連星の2–10 keV発光度は約2–3×10³⁹ erg s⁻¹であり、そのうちLMXBsが約90％（約2.5×10³⁹ erg s⁻¹）を占め、HMXBsが約10％（約2×10³⁸ erg s⁻¹）を占める。
• LMXBsの発光関数は勾配1.27のべき乗則を示し、約2.7×10³⁸ erg s⁻¹でカットオフが必要である。一方、HMXBsは勾配1.64のやや平坦な傾きを示し、10³⁶ erg s⁻¹より上では顕著なカットオフは検出されなかった。
• HMXBsのLog(N)–Log(S)分布は、約6.4×10⁻¹¹ erg s⁻¹ cm⁻²までべき乗則で記述可能であり、微分勾配は1.61±0.12であった。一方、LMXBsは勾配-1.2±0.06を示し、約3.5×10⁻⁸ erg s⁻¹ cm⁻²で高放射度カットオフが確認された。
• 2×10³⁵ erg s⁻¹以上の発光度を持つX線連星の総数は約190個であり、うち約135個がLMXBs、約55個がHMXBsであった。10³⁴ erg s⁻¹まで外挿すると、約705個（LMXBs約325個、HMXB約380個）に達するが、空間的分布の不確実性により約2倍の不確実性を伴う。
• のちに銀河内で少なくとも16個の源が、1.4 M⊙の中性子星のEddington限界を超える発光度を示した期間を経験しており、その分布は銀河のさまざまな投影にマッピングされた。
• のちに銀河の統合発光度は、約5–10個の最も明るいX線連星に支配されており、これらの源の変動または活動期間が、全発光度を最大で約2倍に引き上げる可能性がある。