[論文レビュー] The Vela X-1 pulse-averaged spectrum as observed by BeppoSAX

M. Orlandini, D. Dal Fiume+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 1997

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、X線連星Vela X-1の20 ksecのBeppoSAX観測を提示し、その脈動平均スペクトルを2つの輝度状態で分析している。データはNPEXモデル（指数的カットオフを伴う二重パワー則）に最もよく適合し、磁場が4.9 × 10¹² Gに相当する約57 keVのサイクロトロン共鳴特徴を明らかにした一方、以前に報告された約27 keVの特徴は否定された。

ABSTRACT

We report on the 20 ksec observation of Vela X-1 performed by BeppoSAX on 1996 July 14 during its Science Verification Phase. We observed the source in two intensity states, characterized by a change in luminosity of a factor ~ 2, and a change in absorption of a factor ~ 10. The single Narrow Field Instrument pulse-averaged spectra are well fit by a power law with significantly different indices. This is in agreement with the observed changes of slope in the wide-band spectrum: a first change of slope at ~ 10 keV, and a second one at ~ 35 keV. To mimic this behaviour we used a double power law modified by an exponential cutoff --- the so-called NPEX model --- to fit the whole 2-100 keV continuum. This functional is able to adequately describe the data, expecially the low intensity state. We found an absorption-like feature at ~ 57 keV, very well visible in the ratio performed with the Crab spectrum. We interpreted this feature as a cyclotron resonance, corresponding to a neutron star surface magnetic strength of 4.9 x 10^12 Gauss. The BeppoSAX data do not require the presence of a cyclotron resonance at ~ 27 keV as found in earlier works.

研究の動機と目的

• 20 ksecのBeppoSAX観測において、その科学的検証フェーズ中にVela X-1の脈動平均X線スペクトルを分析すること。
• 輝度が約2倍、吸収が約10倍異なる2つの輝度状態間のスペクトル変動を調査すること。
• 観測されたスペクトルの曲がり具合（約10 keVおよび約35 keVに二つの折り返し点として現れる）が物理的モデルで説明可能かどうかを特定すること。
• 特に以前の研究で報告された約27 keVにおけるサイクロトロン共鳴特徴の存在と有意性を検証すること。
• 2–100 keV帯全体にわたり、単純なモデルと比較してNPEXモデル（指数的カットオフを伴う二重パワー則）がより優れた適合を示すかどうかを評価すること。

提案手法

• 科学的検証フェーズ中にBeppoSAXのナローフィールド機器を用いて、Vela X-1の20 ksecのX線観測を取得した。
• 二つの明確に分離された輝度状態からの脈動平均スペクトルを、指数的カットオフを伴う二重パワー則（NPEXモデル）を用いて、広帯域連続スペクトルを記述する形でフィットした。
• 弱いスペクトル特徴（特に57 keV付近）の可視性を高めるために、カブレクススペクトルとのスペクトル比分析を実施した。
• モデル比較および残差解析を用いて、スペクトル特徴の統計的有意性を評価した。
• 標準的なサイクロトロン共鳴条件を用いて、観測されたサイクロトロン共鳴エネルギーから中性子星の磁場強度を計算した。
• 以前の報告で示された約27 keVのサイクロトロン特徴について、モデルフィットと残差を比較することで再検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Vela X-1の広帯域X線スペクトルは、指数的カットオフを伴う二重パワー則に一致するスペクトル曲がりを示しているか？
• RQ2 高輝度状態と低輝度状態の間で観測されたスペクトル変化は、吸収とフォトン指数の変化のみで説明可能か？
• RQ3 2–100 keV帯にサイクロトロン共鳴特徴が存在する証拠はあるか？ もしあるならば、そのエネルギーと関連する磁場強度は何か？
• RQ4 NPEXモデルは、単一パワー則や他の関数形と比較して、統計的に優れた適合をデータに与えるか？
• RQ5 以前に報告された約27 keVのサイクロトロン特徴は、BeppoSAXデータによって支持されているか、それとも誤検出またはスペクトルの複雑さに隠されているのか？

主な発見

• 2つの輝度状態からの脈動平均スペクトルは、顕著に異なるフォトン指数を示すパワー則によってよく説明されており、これは低輝度時におけるスペクトルの軟化を示している。
• 広帯域スペクトルには二つのスペクトル折り返し点が存在する：約10 keVと約35 keVで、複雑なスペクトル曲がりを示している。
• NPEXモデル（指数的カットオフを伴う二重パワー則）は、2–100 keVエネルギー範囲全体にわたって適切な適合を示し、特に低輝度状態で優れた適合を示した。
• カブレクススペクトルとのスペクトル比において、約57 keVに統計的に有意な吸収的特徴が検出され、これはサイクロトロン共鳴特徴と解釈された。
• 57 keVのサイクロトロン共鳴特徴は、中性子星表面の磁場強度が4.9 × 10¹² Gaussに相当し、理論的予想と整合的である。
• BeppoSAXデータは、約27 keVにおけるサイクロトロン共鳴の存在を支持せず、文献に記載された以前の主張を否定した。