[論文レビュー] X-ray source populations in galaxies

G. Fabbiano|CERN Bulletin|Nov 16, 2005

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 177

ひとこと要約

本レビューでは、Chandra/XMM-Newtonを用いた高解像度で感度の高いX線観測を用いて、銀河内のX線源集団を統合的に分析し、古くから安定した星族を持つE型およびS0型銀河では低質量X線連星（LMXBs）が支配的であることが明らかになった。一方、高質量X線連星（HMXBs）は最近の星形成を示す指標となる。本研究では、超高光度X線源（ULXs）と非常にソフトなX線源が重要な構成要素であると特定し、ULXsは中質量ブラックホール、あるいは極端な状態にある恒星質量ブラックホールを有する可能性があると示唆している。

ABSTRACT

Today's sensitive, high-resolution X-ray observations allow the study of populations of X-ray sources, in the luminosity range of Galactic X-ray binaries, in galaxies as distant as 20-30 Mpc. The traditional astronomical tools of photometric diagrams and luminosity functions are now applied to these populations, providing a direct probe of the evolved binary component of different stellar populations. The study of the X-ray populations of E and S0 galaxies has revamped the debate on the formation and evolution of low-mass X-ray binaries (LMXBs) and on the role of globular clusters in these processes. While overall stellar mass drives the amount of X-ray binaries in old stellar populations, the amount of sources in star forming galaxies is related to the star formation rate. Short-lived, luminous, high-mass binaries (HMXBs) dominate these young populations. The most luminous sources in these systems are the debated ULXs, which have been suggested to be ~100-1000 Msol black holes, but could alternatively include a number of binaries with stellar mass black holes. Very soft sources have also been discovered in many galaxies and their nature is currently being debated. Observations of the deep X-ray sky, and comparison with deep optical surveys, are providing the first evidence of the X-ray evolution of galaxies.

研究の動機と目的

• 異なる形態的タイプの銀河におけるX線源集団を特徴づけること、特にE型およびS0型銀河を対象とすること。
• 古くから安定した星族における低質量X線連星（LMXBs）の形成および進化機構を調査すること。
• 星形成銀河におけるX線源の光度関数と星形成率との関係を特定すること。
• 外部銀河における超高光度X線源（ULXs）および非常にソフトなX線源の性質を調査すること。
• 深宇宙X線および可視光スカイサーベイを用いて、宇宙時間にわたる銀河のX線進化を追跡すること。

提案手法

• ChandraおよびXMM-Newtonで観測された銀河内のX線源集団に、画像プロット図および光度関数を適用すること。
• 高解像度X線画像を用いて、20–30 Mpcまでの距離にある銀河内の個々のX線源を解像すること。
• 星族合成モデルとX線源カウントおよび光度関数を比較することで、連星進化の経路を推定すること。
• X線スペクトルの解析を用いて、源をLMXBs、HMXBs、ULXs、または非常にソフトなX線源に分類すること。
• 深宇宙マルチウェーブ長スカイサーベイから得られた可視光および赤外対応源とX線源を照合すること。
• 深宇宙X線スカイサーベイを用いて、銀河内のX線源集団の宇宙的進化を研究すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E型およびS0型銀河のような古くから安定した星族におけるX線源の数および光度分布を支配するのは何であるか？
• RQ2 高質量X線連星（HMXBs）は、銀河内の最近の星形成とどのように関係しているか？
• RQ3 超高光度X線源（ULXs）の性質は何か？また、それらは中質量ブラックホールを有する可能性があるか？
• RQ4 外部銀河で検出された非常にソフトなX線源の物理的性質と起源は何か？
• RQ5 X線源集団は時間とともにどのように進化するのか？また、深宇宙X線および可視光スカイサーベイは、この進化について何を明らかにしているか？

主な発見

• 古くから安定した星族におけるX線源の数は、主に全星の質量に支配されており、その集団はLMXBsが支配的である。
• 星形成銀河では、X線源のカウントが星形成率と強く相関しており、短命で明るいHMXBsが主な寄与を示していることが示唆される。
• 超高光度X線源（ULXs）は、恒星質量ブラックホールのEddington限界を超過しており、中質量ブラックホール（約100–1000 M☉）を有する可能性があるが、超Eddington状態にある恒星質量ブラックホールも依然として妥当な代替説である。
• 非常にソフトなX線源は複数の銀河で検出されたが、その性質は未だ不明であり、静止状態のブラックホールまたは極度に吸収された系である可能性がある。
• 深宇宙X線サーベイと可視光データの組み合わせにより、銀河におけるX線進化の証拠が得られ、X線源集団が銀河の星形成および合体の歴史を追跡しているという仮説を支持する。
• 銀河内のX線源の光度関数は二峰性の分布を示しており、これはLMXBsとHMXBsの異なる進化経路を反映している。