[论文解读] The X-ray binary population in the Galactic Center revealed through multi-decade observations

Kaya Mori, Charles J. Hailey+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 100被引用 27

一句话总结

本研究分析了460万秒的钱德拉ACIS-S数据，以识别并表征银河系中心的休止态和暂现X射线双星（XRBs）。基于其X射线爆发历史和光谱特性，研究确认12个非热X射线源和四个单次爆发暂现源极有可能是轨道周期为4–12小时的紧密束缚黑洞低质量X射线双星（BH-LMXBs），并发现其空间分布呈盘状，且与核星团对齐。

ABSTRACT

We present an investigation of the quiescent and transient X-ray binaries (XRBs) of the Galactic Center (GC). We extended our Chandra analysis of the non-thermal X-ray sources, located in the central parsec, from Hailey et al. (2018), using an additional 4.6 Msec of ACIS-S data obtained in 2012-2018. The individual Chandra spectra of the 12 sources fit to an absorbed power-law model with a mean photon index $\Gamma$~2 and show no Fe emission lines. Long-term variability was detected from nine of them, confirming that a majority are quiescent XRBs. Frequent X-ray monitoring of the GC revealed that the 12 non-thermal X-ray sources, as well as four X-ray transients have shown at most a single outburst over the last two decades. They are distinct from the six known neutron star LMXBs in the GC, which have all undergone multiple outbursts with <~ 5 year recurrence time on average. Based on the outburst history data of the broader population of X-ray transients, we conclude that the 16 sources represent a population of ~240-630 tightly-bound BH-LMXBs with ~4-12 hour orbital periods, consistent with the stellar/binary dynamics modelling in the vicinity of Sgr A*. The distribution of the 16 BH-LMXB candidates is disk-like (at 87% CL) and aligned with the nuclear star cluster. Our results have implications for XRB formation and the rate of gravitational wave events in other galactic nuclei.

研究动机与目标

• 利用长期X射线监测，确定银河系中心12个非热X射线源和四个X射线暂现源的性质。
• 将休止态X射线双星（qXRBs）与其他致密天体种群（如射电毫秒脉冲星（rMSPs）或矮新星（CVs））区分开来。
• 基于X射线爆发历史，估算中心1秒差距内黑洞低质量X射线双星（BH-LMXBs）的数量及其轨道周期分布。
• 利用观测到的X射线光度函数和空间分布，检验Sgr A*附近XRB形成与双星动力学的理论模型。

提出的方法

• 分析了2012–2018年间获取的额外460万秒钱德拉ACIS-S数据，补充了Hailey等人（2018）先前的140万秒ACIS-I观测数据。
• 对单个源的谱进行吸收幂律模型拟合，平均光子指数Γ ≈ 2，未发现铁发射线。
• 对12个非热X射线源进行长期变异性分析，检测到其中9个显著变异性，表明其为休止态XRBs而非rMSPs。
• 将源的X射线爆发历史与已知中子星LXMBs（NS-LMXBs）和VFXTs进行比较，以爆发重复时间作为判别依据：NS-LMXBs的重复时间小于5年，而本研究中的16个源仅出现单次爆发。
• 利用Lin等人（2019）和Wu等人（2010）提出的X射线爆发光度与重复时间之间的相关性，约束16个候选源的轨道周期。
• 进行空间分布分析，以统计置信水平检验其是否与核星团呈盘状对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心的12个非热X射线源是休止态X射线双星（qXRBs）还是其他致密天体种群（如rMSPs或CVs）？
• RQ2 16个源（12个非热休止态XRBs和四个单次爆发暂现源）是否代表一类独特的黑洞低质量X射线双星（BH-LMXBs）？
• RQ3 基于其X射线爆发历史和休止态X射线特性，这些BH-LMXBs的轨道周期范围是多少？
• RQ4 这16个BH-LMXB候选源的空间分布是否与核星团对齐的盘状结构一致？
• RQ5 中心1秒差距内存在多少个BH-LMXBs？该数量与N体模拟和潮汐捕获模型的理论预测相比如何？

主要发现

• 12个非热X射线源中的9个表现出显著的长期变异性，证实其为休止态XRBs而非射电毫秒脉冲星（rMSPs）。
• 12个非热X射线源和四个在二十年间仅出现单次爆发的X射线暂现源，与六种已知的中子星LXMBs（NS-LMXBs）明显不同，后者重复时间小于5年。
• 基于X射线爆发历史和休止态光度函数，这16个源最符合轨道周期为4–12小时的黑洞LXMBs（BH-LMXBs）。
• 16个BH-LMXB候选源的空间分布以87%的置信水平与核星团对齐的盘状结构一致，以约90%的置信水平拒绝球对称分布。
• 估算中心1秒差距内BH-LMXBs的数量为500–630个，若将三个非变源视为rMSPs，则为240–300个，两者均与N体模拟和潮汐捕获模型的理论预测一致。
• BH-LMXB种群的双星间距估计为0.01–0.03 AU，与在Sgr A*附近致密核星团中能长期存续的紧密双星一致。