[论文解读] Broad-band spectral study of LMXB black hole candidate 4U 1957+11 with NuSTAR

Prince Sharma, Rahul Sharma+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 49被引用 9

一句话总结

本研究基于2018至2019年九次NuSTAR观测，对低质量X射线双星4U 1957+11进行了全 band X射线谱分析。该源呈现软谱、盘主导状态，具有多色盘黑体谱（kTin ≈1.35–1.86 keV）和非热幂律谱成分（Γ ≈2–3），并伴有相对论性展宽的Fe Kα线。在距离7 kpc、质量4–6 M⊙的条件下，分析支持中等自旋的黑洞（a ≈0.85），且自旋与谱硬化因子呈负相关。

ABSTRACT

We present here the results of broadband spectral analysis of low-mass X-ray binary and a black hole candidate 4U 1957+11. The source was observed nine times with the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) between 2018 September and 2019 November. During these observations, the spectral state of 4U 1957+11 evolved marginally. The disc dominant spectra are well described with a hot, multicolour disc blackbody with disc temperature varying in the range $kT_{ m in} \sim$ 1.35-1.86 keV and a non-thermal component having a steep slope ($\Gamma =$ 2-3). A broad Fe emission line feature (5-8 keV) was observed in the spectra of all the observations. The relativistic disc model was used to study the effect of distance, inclination, and the black hole mass on its spin. Simulations indicate a higher spin for smaller distances and lower black hole mass. At smaller distances and higher mass, spin is maximum and almost independent of the distance. An inverse correlation exists between the spin and the spectral hardening factor for all the cases. The system prefers a moderate spin of about 0.85 for black hole masses between 4-6 M_sun for a 7 kpc distance.

研究动机与目标

• 利用高能X射线数据，研究持续X射线双星4U 1957+11在软谱、盘主导状态下的谱特性。
• 通过建模相对论性展宽的Fe Kα线和连续谱成分，约束黑洞自旋、质量、距离和倾角。
• 通过分析多组观测中谱成分的演化，解决该致密天体本质的歧义。
• 评估自旋估计值对关键物理参数（如黑洞质量、距离、倾角和谱硬化因子）的依赖性。

提出的方法

• 对2018–2019年九次NuSTAR观测（覆盖3–50 keV能量范围）进行全 band 谱拟合。
• 采用多色盘黑体（diskbb）和非热幂律谱成分（phabs*powerlaw）建模X射线连续谱。
• 使用相对论盘线模型（kerrconv*kerrbb）拟合展宽的Fe Kα发射线，以推断黑洞自旋。
• 通过kerrbb模型约束自旋，同时变化黑洞质量、距离、倾角和谱硬化因子。
• 主分析中固定距离为7 kpc、倾角为75°，并通过系统性变化测试参数依赖性。
• 使用ThComp模型描述康普顿化成分，拟合光子指数和散射分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 4U 1957+11的黑洞自旋参数是多少？其如何依赖于假设的黑洞质量和距离？
• RQ2 谱硬化因子如何随黑洞质量和距离变化？其与自旋的相关性如何？
• RQ3 观测到的展宽Fe Kα线特征是否支持与自旋黑洞一致的相对论起源？
• RQ4 非热幂律谱成分在不同通量状态下的谱演化中起何作用？
• RQ5 观测到的谱趋势能否排除中子星主星的可能性？有何证据支持其为黑洞？

主要发现

• 在所有观测中，盘温度（kTin）在1.35 keV至1.86 keV之间变化，表明处于稳定的软谱状态。
• 所有观测均检测到展宽的Fe Kα发射线（5–8 keV），与内盘相对论性展宽一致。
• 谱硬化因子与黑洞自旋呈负相关，自旋随硬化因子增大而减小。
• 在黑洞质量4–6 M⊙、距离7 kpc的条件下，系统偏好中等自旋（约0.85）。
• 当质量超过6 M⊙且距离较小（<7 kpc）时，自旋趋于最大值（接近1），且此时自旋与距离无关。
• 在高通量状态（第6和第7观测段），非热成分贡献高达总通量的75%，表明谱态向陡幂律谱态转变。