[论文解读] An unusually bright and long outburst of Cygnus X-1 observed with INTEGRAL

J. Malzac, P. Lubiński+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究报道了2006年9月天鹅座X-1一次异常明亮且持续时间较长的爆发期间的INTEGRAL观测结果，揭示了其在低/硬态下具有稳定的谱，光子指数为Γ ≈ 1.4，高能截止能量为Ec ≈ 130–140 keV。数据表明，Cyg X-1在接近Eddington光度2–3%的水平下仍保持在低/硬态，挑战了此前认为在更高通量水平下会向高态转变的假设。

ABSTRACT

Aims. We present INTEGRAL light curves and spectra of the black-hole binary Cyg X-1 during a bright event that occured in 2006 September, and which was simultaneous with a detection at 0.1–1 TeV energies by the MAGIC telescope. Methods. We analyse the hard X-ray emission from 18 to 700 keV with the INTEGRAL data taken on 2006 September 24–26 by the IBIS and SPI instruments. These data are complemented with RXTE All Sky Monitor data at lower energy. We present the light curves and fit the high energy spectrum with various spectral models. Results. Despite variations in the flux by a factor of∼2 in the the 20–700 keV energy band, the shape of the energy spectrum remained remarkably stable. It is very well represented by an e-folded power law with the photon index ofΓ≃1.4 and a high energy cut-off at Ec ≃ 130–140 keV. The spectrum is also well described by thermal Comptonisation including a moderate reflection component, with the solid angle of the reflector of ∼ 0.4×2π. The temperature of the hot Comptonising electrons is kTe ∼ 70 keV and their Thomson optical depth isτ∼2.5. These spectral properties are typical of those observed in the low/hard state. This shows that Cyg X-1 may stay in the low hard state at least up to the flux level of 2 Crab, which corresponds to∼2–3 per cent of the Eddington luminosity. It is the first time a persistent high-mass black-hole binary is observed at a few percent of the Eddington luminosity with a stable low/hard

研究动机与目标

• 表征2006年9月天鹅座X-1一次异常明亮且持续时间较长的爆发期间的谱和时域行为。
• 确定天鹅座X-1在接近Eddington光度数个百分点的高通量水平下是否仍保持在低/硬态。
• 利用高能INTEGRAL数据研究硬X射线发射的谱特性，并辅以RXTE/ASM数据。
• 检验观测谱是否最宜用截止幂律模型或包含反射成分的热Comptonisation模型来描述。

提出的方法

• 分析2006年9月24日至26日期间INTEGRAL IBIS和SPI仪器在18–700 keV能量范围内的硬X射线 light curves 和 spectra。
• 补充使用RXTE All Sky Monitor数据，覆盖20 keV以下的低能段。
• 使用多种模型拟合高能谱，包括e-folded幂律和包含反射的热Comptonisation模型。
• 通过模型比较确定最佳拟合参数，包括光子指数、截止能量、电子温度（kTe）、汤姆孙光学厚度（τ）以及反射体立体角。
• 尽管在20–700 keV波段内通量变化约2倍，仍评估谱的稳定性。
• 利用MAGIC望远镜的同步TeV探测结果，为高能发射提供背景信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1能否在接近Eddington光度2–3%的通量水平下维持低/硬态？
• RQ2 在通量显著变化的明亮爆发期间，天鹅座X-1的高能谱有多稳定？
• RQ3 观测谱最宜用简单的截止幂律模型，还是更复杂的包含反射的热Comptonisation模型？
• RQ4 在此爆发期间，Comptonising等离子体的物理参数（如电子温度kTe和光学厚度τ）为何？
• RQ5 在高通量下仍保持稳定且硬的谱，对黑洞双星的吸积态及态转换有何启示？

主要发现

• 尽管在20–700 keV波段内通量变化约2倍，天鹅座X-1的硬X射线谱仍表现出显著的稳定性。
• 谱最宜用e-folded幂律模型描述，光子指数为Γ ≈ 1.4，高能截止能量为Ec ≈ 130–140 keV。
• 热Comptonisation模型（kTe ≈ 70 keV，τ ≈ 2.5）提供良好拟合，同时存在中等强度的反射成分，立体角约为~0.4×2π。
• 该源在接近Eddington光度2–3%的水平下仍保持在低/硬态，远高于此前观测到的态转换通量水平。
• 这是首次观测到在如此高通量水平下仍保持稳定的高质量黑洞双星系统处于低/硬态，表明该态的稳定性范围更广。
• MAGIC望远镜的同步TeV探测结果证实了该状态下极端高能发射的存在，与喷流冕区的非热过程一致。