[论文解读] An optically thick inner corona geometry for the Very High State Galactic Black Hole XTE J1550-564

Chris Done, Aya Kubota|Nov 1, 2005

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 59

一句话总结

该论文提出，XTE J1550-564在极高水平态（VHS）中出现的低温盘并非源于盘截断，而是由于一个光学厚、具有康普顿化效应的冕通过能量耗散导致盘的发射率降低。利用盘-冕耦合模型（Svensson & Zdziarski 1994），研究显示仅需极小的盘截断即可解释观测数据，从而调和了VHS谱与高/软态的光度-温度关系以及低频QPO观测之间的矛盾。

ABSTRACT

(truncated version) The X-ray spectra of Galactic binary systems in the very high state show both strong disk emission and a strong, steep tail to high energies. We use simultaneous optical-ASCA-RXTE data from the black hole transient XTE J1550-564 as a specific example, and show that these have disc spectra which are significantly lower in temperature than those seen from the same source at the same luminosity when in the disc dominated state. If these give a true picture of the disc then either the disc emissivity has reduced, and/or the disc truncates above the last stable orbit. However, it is often assumed that the tail is produced by Compton scattering, in which case its shape in these spectra requires that the Comptonising region is marginally optically thick (tau~2-3), and covers a large fraction of the inner disc. This will distort our view of the disc. We build a theoretical model of a Comptonising corona over an inner disc, and fit this to the data, but find that it still requires a large increase in inner disc radius for a standard disc emissivity. Instead it seems more probable that the disc emissivity changes in the presence of the corona. We implement the specific inner disc-corona coupling model of Svensson & Zdziarski (1994) and show that this can explain the low temperature/high luminosity disc emission seen in the very high state with only a small increase in radius of the disc. While this inferred disc truncation is probably not significant given the model uncertainties, it is consistent with the low frequency QPO and gives continuity of properties with the low/hard state spectra.

研究动机与目标

• 解决极高水平态（VHS）中观测到的低温盘与高/软态中预期的L ∝ T⁴关系之间的矛盾。
• 确定VHS中观测到的谱特性是由盘截断、发射率变化还是冕的康普顿化效应引起。
• 检验盘-冕耦合模型是否能在无需大范围盘截断的情况下重现观测到的X射线谱。
• 评估推断出的盘结构与低频QPO观测及现有吸积物理的一致性。

提出的方法

• 利用XTE J1550-564在VHS期间的同步光学-ASCA-RXTE数据，分析0.8–200 keV波段的宽能段X射线谱。
• 对X射线尾部应用康普顿化模型，假设冕为边缘光学厚（τ ≈ 2–3），覆盖内盘的大部分区域。
• 构建了覆盖在内盘之上的冕的理论模型，整合了Svensson & Zdziarski（1994）提出的盘-冕耦合机制，其中一部分吸积功率（f）在冕中耗散。
• 使用该耦合模型进行谱拟合，以评估所需的盘半径和发射率变化。
• 将模型与高/软态数据进行比较，以检验其与L ∝ T⁴关系的一致性。
• 将低频QPO作为一致性检验，利用相对论进动模型评估盘截断程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在相同光度下，XTE J1550-564在VHS中的盘温度低于高/软态？
• RQ2 观测到的谱形最合理的解释是盘截断、发射率变化，还是冕结构的康普顿化效应？
• RQ3 盘-冕耦合模型是否能在无需大范围盘截断的情况下解释VHS谱？
• RQ4 康普顿化冕的存在如何影响观测到的盘温度和光度？
• RQ5 推断出的盘结构是否与相对论进动模型中观测到的低频QPO一致？

主要发现

• XTE J1550-564的VHS谱显示，康普顿化尾部贡献了超过50%的总光度，且盘成分的温度显著低于在相同光度下高/软态中的温度。
• 采用固定盘半径的标准康普顿化模型无法在不引入大范围盘截断的情况下重现低温盘，而这种大范围截断与观测到的陡峭康普顿化谱不一致。
• Svensson & Zdziarski（1994）提出的盘-冕耦合模型中，若有一部分吸积功率（f）在冕中耗散，则所需盘截断程度极小，可能可忽略不计。
• 包含轻微截断盘和修正发射率的模型（图7c）最能解释观测数据，并可通过相对论进动模型与低频QPO保持一致。
• 数据与在大范围截断盘上覆盖连续、板状冕的模型不一致，因为该模型会产生比观测更平坦的康普顿化谱。
• 结果表明，类似的盘-冕耦合机制可能解释类星体X射线源（ULXs）中观测到的低温表观盘温度，从而可能避免引入中等质量黑洞的假设。