[論文レビュー] The smooth cyclotron line in Her X-1 as seen with NuSTAR

F. Fuerst, Brian W. Grefenstette+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

NuSTARの高分解能ハードX線分光法を用いて、この研究では、35日周期のスーパーオルビット周期中の高状態で観測された3回の観測において、Her X-1のサイクロトロン線を分析した。サイクロトロン線は、すべてのパルス位相および観測で極めて滑らかで対称的な形状を示し、ローレンツ型光学的厚さプロファイルからの顕著なずれは認められず、降着円柱の幾何学的非球面性が最小限であることを示している。線エネルギーはパルス位相に応じて変化するが、一貫した特徴のないプロファイルを維持しており、連続スペクトルは僅かな変化しか示さず、コロナにおける可変なトムソン散乱によって最もよく説明される。平均的な、輝度補正済みサイクロトロンエネルギーは、過去の観測よりも低く、長期的低下を示している。

ABSTRACT

Her X-1, one of the brightest and best studied X-ray binaries, shows a cyclotron resonant scattering feature (CRSF) near 37 keV. This makes it an ideal target for detailed study with the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), taking advantage of its excellent hard X-ray spectral resolution. We observed Her X-1 three times, coordinated with Suzaku, during one of the high flux intervals of its 35d super-orbital period. This paper focuses on the shape and evolution of the hard X-ray spectrum. The broad-band spectra can be fitted with a powerlaw with a high-energy cutoff, an iron line, and a CRSF. We find that the CRSF has a very smooth and symmetric shape, in all observations and at all pulse-phases. We compare the residuals of a line with a Gaussian optical depth profile to a Lorentzian optical depth profile and find no significant differences, strongly constraining the very smooth shape of the line. Even though the line energy changes dramatically with pulse phase, we find that its smooth shape does not. Additionally, our data show that the continuum is only changing marginally between the three observations. These changes can be explained with varying amounts of Thomson scattering in the hot corona of the accretion disk. The average, luminosity-corrected CRSF energy is lower than in past observations and follows a secular decline. The excellent data quality of NuSTAR provides the best constraint on the CRSF energy to date.

研究の動機と目的

• 高分解能NuSTARデータを用いて、Her X-1のハードX線連続スペクトルおよびサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSF）のスペクトル形状と進化を調査すること。
• サイクロトロン線が非対称的または複雑な形状を示すかどうかを検証し、複雑な磁場幾何学的構造や放射ビームの可能性を評価すること。
• CRSFエネルギーと形状がパルス位相および35日周期のスーパーオルビット位相に依存するかどうかを評価し、中性子星の前傾運動または円盤遮蔽のモデルを検証すること。
• スペクトルモデリングを通じて、特に高温コロナにおけるトムソン散乱の役割を含め、降着円柱内の物理的状態を制約すること。
• 輝度補正および長期変動を考慮した上で、これまでで最も正確なサイクロトロン線エネルギーの測定値を提供すること。

提案手法

• 35日周期のスーパーオルビットサイクル中の高状態で、Her X-1に対する3回の連携されたNuSTARおよびSuzaku観測を実施した。
• エネルギースペクトルに、高エネルギー端末付きのパワー・ラウのモデルに、鉄Kα線およびサイクロトロン共鳴散乱特徴（CRSF）を組み合わせたモデルを適合させた。
• CRSFの線形形状の対称性を制約し、放射幾何学的構造を制限するために、ガウス型光学的厚さプロファイルとローレンツ型プロファイルを比較した。
• 位相平均スペクトルおよびパルス位相分解スペクトルを分析し、中性子星の回転周期中のCRSFエネルギーと深さの変化を調査した。
• 観測された輝度変化を説明するために、高温コロナにおける可変なトムソン散乱光学的厚さを用いて連続スペクトルの変化をモデル化した。
• 輝度補正済み線エネルギーを用いて長期的傾向を評価し、歴史的データと比較することで、長期的変化の有無を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Her X-1のサイクロトロン線は、すべてのパルス位相で滑らかで対称的な形状を示すか。それとも、複雑な放射幾何学的構造を示す歪みがあるか。
• RQ2 線形状（ガウス型光学的厚さプロファイル対ローレンツ型）が、磁場幾何学的構造および降着円柱構造をどのように制約するか。
• RQ3 パルス位相に応じた線エネルギーの変化は、降着円柱の異なる磁場強度を観測していることに一致するか。
• RQ4 3回のNuSTAR観測間で観測されたわずかな連続スペクトル変化の原因は、トムソン散乱の光学的厚さの変動か、源自体の変化か。
• RQ5 35日周期のスーパーオルビット位相がCRSFエネルギーまたは形状に影響を与えるか。また、中性子星の自由前傾運動を必要とせず、円盤遮蔽によって説明可能か。

主な発見

• Her X-1のサイクロトロン線は、すべてのパルス位相および3回の観測で、顕著なずれのない極めて滑らかで対称的な形状を示している。
• ガウス型とローレンツ型光学的厚さフィットの間で顕著な差異がないことから、線が特徴のない対称的形状であることが強く制約され、複雑な放射幾何学的構造の可能性が制限される。
• パルス位相に応じて線エネルギーが大きく変化（約30 keVから40 keV以上）しても、線形状は一貫して滑らかで対称的である。
• 観測間での連続スペクトルの変化はわずかであり、これは源自体の連続スペクトル変化ではなく、高温コロナにおける可変なトムソン散乱光学的厚さによって最もよく説明される。
• 平均的な、輝度補正済みサイクロトロン線エネルギーは、過去の観測よりも低く、時間経過に伴う線エネルギーの長期的低下を示している。
• 35日周期のスーパーオルビット位相に伴うCRSFエネルギーまたは形状の顕著な依存性は認められず、観測された輝度変化は遮蔽および散乱の変動によるものであり、中性子星の前傾運動を必要としない。