[论文解读] A jet model for the broadband spectrum of XTE J1118+480: Synchrotron emission from radio to X-rays in the Low/Hard spectral state

Sera Markoff, H. Falcke+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 17被引用 304

一句话总结

该论文提出，XTE J1118+480在低/硬态下的超宽带谱主要由相对论性、绝热膨胀喷流中的同步辐射所解释，其中X射线幂律成分源于喷流基底处激波加速区的光学薄同步辐射。该模型使用物理上合理的喷流参数，成功拟合了从射电到X射线的观测谱，表明在约100 keV处存在由同步辐射冷却损失决定的典型谱截止。

ABSTRACT

Observations have revealed strong evidence for powerful jets in the Low/Hard states of black hole candidate X-ray binaries. Correlations, both temporal and spectral, between the radio -- infrared and X-ray bands suggest that jet synchrotron as well as inverse Compton emission could also be significantly contributing at higher frequencies. We show here that, for reasonable assumptions about the jet physical parameters, the broadband spectrum from radio through X-rays can be almost entirely fit by synchrotron emission. We explore a relatively simple model for a relativistic, adiabatically expanding jet combined with a truncated thermal disk conjoined by an ADAF, in the context of the recently discovered black hole binary XTE J1118+480. In particular, the X-ray power-law emission can be explained as optically thin synchrotron emission from a shock acceleration region in the innermost part of the jet, with a cutoff determined by cooling losses. For synchrotron cooling-limited particle acceleration, the spectral cutoff is a function only of dimensionless plasma parameters and thus should be around a ``canonical'' value for sources with similar plasma properties. It is therefore possible that non-thermal jet emission is important for XTE J1118+480 and possibly other X-ray binaries in the Low/Hard state.

研究动机与目标

• 在不完全依赖逆康普顿辐射的前提下，解释XTE J1118+480在低/硬态下的射电至X射线超宽带谱。
• 检验喷流中同步辐射是否能解释观测到的平坦射电谱和X射线幂律成分。
• 研究同步辐射冷却在喷流主导辐射中决定X射线波段谱截止的作用。
• 评估喷流模型在低光度黑洞X射线双星中替代或补充标准热盘加冕区逆康普顿模型的可行性。
• 确定观测到的约100 keV X射线截止是否为等离子体参数（如冷却 timescale 和激波速度）的自然结果。

提出的方法

• 基于XTE J1118+480的观测数据，构建一个相对论性、绝热膨胀喷流，耦合截断热盘和类似ADAF的内流，使用物理参数进行建模。
• 假设X射线幂律源自喷流基底激波加速区的光学薄同步辐射，其谱形由电子能谱分布和冷却过程决定。
• 将同步辐射冷却损失作为电子的主要能量损失机制，通过依赖磁场和电子能量的无量纲参数ξ确定高能谱截止。
• 通过结合光学厚同步辐射（射电至红外）和光学薄同步辐射（X射线）成分，拟合从射电到X射线的观测超宽带谱，种子光子来自内盘。
• 根据观测约束，固定关键参数，如黑洞质量（6 M☉）、距离（1.8 kpc）、盘温度（1.5×10⁵ K）和喷流光度（2.6×10³⁶ erg s⁻¹）。
• 将模型预测与多波段数据（包括EUV、射电和X射线观测）进行比较，并评估逆康普顿辐射的作用，结果表明在假设条件下其贡献可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷流中的同步辐射是否能在不引入逆康普顿辐射的前提下，重现XTE J1118+480在低/硬态下的射电至X射线超宽带谱？
• RQ2 喷流中的何种物理条件导致约100 keV处的谱截止？该截止是否可由同步辐射冷却自然解释？
• RQ3 弱热盘的存在如何影响电子冷却 timescale，并如何影响X射线波段中同步辐射相对于逆康普顿辐射的主导性？
• RQ4 XTE J1118+480中观测到的X射线幂律是否与激波加速电子群体的光学薄同步辐射一致？
• RQ5 观测到的射电波段谱转折是否可用于约束喷流长度和激波位置？

主要发现

• 从射电到X射线的XTE J1118+480超宽带谱可被以同步辐射为主的喷流模型良好拟合，其中X射线幂律源自喷流基底激波加速区的光学薄同步辐射。
• 约100 keV处的X射线谱截止由同步辐射冷却损失自然解释，截止能量由无量纲等离子体参数ξ决定，其值约为100时对应典型截止。
• 由于弱热盘提供的外部光子密度较低，逆康普顿辐射在模型中可忽略不计，因此同步辐射冷却成为主导能量损失机制。
• 平坦射电谱归因于喷流在较大半径处的光学厚同步辐射，而X射线幂律则由位于z ≈ 45 rₛ处的激波产生。
• 该模型预测在约2–15 GHz频段出现射电波段谱转折，与喷流长度约4×10¹³ cm（在1.8 kpc距离处对应约1.5 mas）一致，支持射电辐射的喷流起源。
• 该模型具有可扩展性，可能适用于其他具有平坦射电谱的低/硬态X射线双星，表明喷流主导的同步辐射可能是此类系统中的普遍特征。