[论文解读] Correlated X-ray and Optical Variability in X-ray Binaries

R. I. Hynes|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2004

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本文综述了X射线双星中的回声映射，表明X射线与光学光变的关联性可通过光传播时延揭示再处理几何结构。研究识别出一类与喷流相关的同步辐射发射有关的新关联性变光现象，尤其在低光度和休眠系统中更为显著，挑战了以往认为所有关联性均源于再处理的假设。

ABSTRACT

It has long been known that X-ray and optical/UV variability in active X-ray binaries is sometimes correlated. The expectation has been that this arises from rapid reprocessing of X-rays into longer wavelength photons, and hence that the lags between the bandpasses can be used to reconstruct an echo-map of the binary, revealing the geometry and spatial scale of reprocessing sites. I will review how this can be done, what can be learned, and what progress has been made with real data. In addition, an interesting twist to the story has emerged in the form of correlated variability that does not seem associated with reprocessing. This extends to very short timescales, includes quasi-periodic behavior, and may be associated with optical synchrotron emission from a jet. Finally, contrary to expectations we have recently discovered that similar correlations are seen even in an ostensibly `quiescent' object allowing similar analyses of reprocessing effects.

研究动机与目标

• 探究X射线双星中X射线与光学光变关联性的起源，超越简单的再处理机制。
• 确定光变的时间延迟是否可用于重建再处理区域的空间几何结构。
• 评估喷流相关的同步辐射发射在产生关联性变光中的作用，特别是在低光度和休眠系统中。
• 评估在X射线通量极低的休眠黑洞X射线双星中应用回声映射技术的可行性。
• 利用多波段光曲线和光谱能量分布，区分以再处理为主导与以喷流为主导的变光。

提出的方法

• 应用回声映射（回声映射）技术，关联X射线与光学光曲线，利用时间延迟推断再处理几何结构。
• 将转移函数建模为X射线光曲线与基于双星系统中光传播时间的响应函数的卷积。
• 利用吸积盘和伴星的几何模型，预测转移函数随轨道相位和倾角的变化。
• 采用最大熵正则化方法对光学光曲线进行去卷积，即使在信噪比较低的数据下也能恢复转移函数。
• 分析变光功率谱与互相关函数，以区分再处理（热辐射）与同步辐射（非热辐射）的起源。
• 比较从紫外到X射线波段的观测变光幅度，检验其是否符合光学薄同步辐射的幂律依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 X射线双星中X射线与光学光变的时间延迟是否可用于重建再处理区域的空间几何结构？
• RQ2 X射线双星中关联性变光的多大比例源于再处理，多大比例源于喷流相关的同步辐射发射？
• RQ3 高光度与休眠X射线双星中关联性变光的特性有何不同？
• RQ4 尽管X射线通量极低，回声映射技术是否仍可成功应用于休眠黑洞系统？
• RQ5 观测到的光学与紫外波段变光是否与喷流模型一致，特别是在光谱能量分布和变光幂律指数方面？

主要发现

• X射线双星中X射线与光学光变的关联性并不总是源于再处理；在某些情况下，其起源于喷流相关的同步辐射发射。
• 在XTE J1118+480中，变光幅度从K波段的约50%均方根下降至远紫外波段的仅几个百分点，其谱型满足Fν ∝ ν^−0.59，与光学薄同步辐射一致。
• 相同的幂律变光关系延伸至X射线波段，表明X射线变光也可能由相同的喷流过程驱动，而不仅仅是吸积盘不稳定性所致。
• 在休眠系统（如V404 Cygni）中，回声映射可用于发射线变光，表明存在盘面再处理，但连续谱变光的起源仍难以在再处理与喷流之间明确区分。
• 相位分辨的回声映射可独立测量双星系统的轨道间距与倾角，提供一种新的几何诊断手段。
• 回声映射的全部潜力尚未被充分挖掘，尤其是在休眠状态下，未来如Constellation-X任务的发射将使其得以全面实现。