[论文解读] A study of spectral and timing properties of Cyg X-1 based on a large sample of pointed RXTE observations

Marek Gierliński, A. A. Zdziarski+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究利用RXTE的700多次指向观测，采用混合康普顿化模型进行谱拟合，以及多洛伦茨函数进行功率谱分析，揭示了谱态、康普顿化增益、反射强度与变异性 timescales 之间的强相关性。关键发现是，变异性机制在硬态下由吸积率变化主导，在中间态下由可变辐照主导，在软态下由冕区耗散变化主导，支持一种截断吸积盘与热冕模型，且在不同谱态下几何结构持续演化。

ABSTRACT

We study a large sample of RXTE PCA/HEXTE observations of Cyg X-1. We characterize the spectra by soft and hard X-ray colours (which define the spectral states), and fit them with a physical model of hybrid, thermal/non-thermal Comptonization. We then fit the power spectra by a sum of Lorentzians. We show the resulting correlations between the spectral colour (defining the hard, intermediate and soft spectral states), the Comptonization amplification factor, the fractional Compton reflection strength, and the peak frequency of the Lorentzians. We also calculate the fractional variability (rms) as a function of photon energy. We fit the obtained rms dependencies by physical models of varying accretion rate, a varying soft-photon input from an outer disc to a hot inner plasma, and a varying dissipation rate in a hot corona above a disc.

研究动机与目标

• 利用大规模RXTE数据集，表征天鹅X-1在其全部谱态下的谱与时域行为。
• 将谱态转变与物理参数（如康普顿化增益与反射强度）关联起来。
• 确定不同谱态下主导的变异性机制（吸积率、辐照、冕区耗散）。
• 检验截断吸积盘与热冕模型与观测到的谱-时域相关性之间的一致性。

提出的方法

• 在xspec中使用混合康普顿化（eqpair）模型进行谱拟合，以软（盘）和硬（离子体）紧凑度为参数，将康普顿化增益因子 ℓh/ℓs 作为主要谱态指标。
• 通过洛伦茨函数分量之和拟合功率谱密度谱，以提取峰值频率与半高全宽。
• 计算能量依赖的分数变异性（均方根），并使用三种物理变异性模式对均方根(E)进行建模：吸积率变化、软光子输入变化与冕区耗散变化。
• 通过4–6.4 keV与9.7–16 keV通量比构成的颜色-颜色图定义谱态参数，从硬态（0）到软态（1）。
• 选取33次具有代表性的观测样本，覆盖所有谱态，进行详细的谱与时域分析。
• 使用RXTE PCA与HEXTE数据，采用吸收修正通量与能量分辨光 light curves 进行均方根分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅X-1在硬态、中间态与软态下，康普顿化增益因子与分数反射强度如何变化？
• RQ2 功率谱中洛伦茨函数分量的峰值频率与谱态之间存在何种关系？
• RQ3 在每种谱态下，驱动能量依赖变异性（均方根）的物理机制是什么？
• RQ4 天鹅X-1的谱与时域特性如何支持或挑战截断吸积盘与热冕模型？
• RQ5 为何天鹅X-1中会出现具有高均方根与异常强反射的软态？其与其它黑洞双星系统有何不同？

主要发现

• 康普顿化增益因子 ℓh/ℓs 从硬态到软态单调减小，硬/中间态下 ℓh/ℓs ≳ 1，软态下 ℓh/ℓs ≲ 1。
• 发现主导洛伦茨函数的峰值频率 f1 与康普顿化增益因子之间存在强相关性，满足 ℓh/ℓs ∝ f1−3/2。
• 分数变异性（均方根）从硬态向中间态减小，但在最软态再次增加；能量依赖的均方根轮廓分别呈现恒定、减小与增加趋势。
• 硬态的均方根最符合吸积率变化机制（几何结构恒定），中间态的均方根由软盘光子对热流的可变辐照解释（ℓs 变化，ℓh 恒定），软态的均方根则由稳定盘上方热冕区的可变耗散解释（ℓh 变化，ℓs 恒定）。
• 识别出一种特殊的高均方根软态，具有强反射（R > 0.22），在其它黑洞双星系统中不常见，可能暗示独特的冕区或盘动力学。
• 整体谱-时域行为支持截断吸积盘与热冕模型，其中吸积盘从硬态下的大半径内迁至软态下的内稳定轨道附近。