[论文解读] Detailed high-energy characteristics of AXP 1RXS J170849-400910 - Probing the magnetosphere using INTEGRAL, RXTE and XMM-Newton

P. R. den Hartog, L. Kuiper+1 more|ArXiv.org|Apr 10, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 71被引用 41

一句话总结

本研究利用 INTEGRAL、RXTE 和 XMM-Newton 的数据，首次对 AXP 1RXS J170849-400910 在 2.8–270 keV 范围内进行了详细的相位分辨谱分析，揭示了三种不同的谱成分——软谱（Γ=3.54）、硬谱（Γ=0.99）和曲谱（对数抛物线型），其归一化随相位变化，表明磁层中存在复杂的辐射过程。结果表明，在长达九年的观测中，谱和脉动轮廓保持长期稳定，并对需要三维几何结构和多种辐射机制的模型形成约束。

ABSTRACT

We present detailed spectral and temporal characteristics over the whole X-ray band. For this purpose data have been used from INTEGRAL, RXTE and XMM-Newton. The INTEGRAL hard X-ray (>10 keV) time-averaged total spectrum, can be described by a power law with a photon index Gamma = 1.13 +/- 0.06 and extends to ~175 keV. No evidence for a spectral break is found. No significant long-term time variability has been detected above 20 keV. Pulsed emission is measured up to 270 keV (12.3 sigma; 20-270 keV). Three different pulse components can be recognized in the pulse profiles: 1) a hard pulse which contributes above ~4 keV, 2) a softer pulse not contributing in the hard X-ray domain and 3) a very soft pulse component below 2 keV. Detailed phase-resolved spectroscopy of the pulsed emission confirms long-term stability. The spectral shape gradually changes with phase from a soft single power law to a complex multi-component shape and then to a hard single power law. The spectrum switches from a very hard (Gamma = 0.99 +/- 0.05) to a very soft (Gamma = 3.58 +/- 0.34) single power-law shape within a 0.1-wide phase interval. We identify three independent components. The three shapes are a soft power law, a hard power law and a curved shape. The phase distributions of the normalizations of these spectral components form three decoupled pulse profiles. The soft component peaks around phase 0.4 while the other two components peak around phase 0.8. The width of the curved component (~0.25 in phase) is about half the width of the hard component.

研究动机与目标

• 利用多任务数据，研究 AXP 1RXS J170849-400910 在整个 X 射线波段的高能谱特性和时间特性。
• 确定硬 X 射线波段中脉动发射的起源及其能量依赖形态。
• 检验不同谱成分起源于磁层不同区域的假设。
• 评估在九年基线内谱和脉动轮廓的长期稳定性。
• 通过识别相位依赖的谱成分及其几何分布，对磁层辐射模型进行约束。

提出的方法

• 结合 INTEGRAL（IBIS/ISGRI）、RXTE（PCA 和 HEXTE）以及 XMM-Newton 在九年内获取的数据，进行时间平均和相位分辨谱分析。
• 采用幂律、折返幂律和对数抛物线函数对总谱和脉动谱进行建模，以描述谱成分。
• 在 2.8–270 keV 范围内进行相位分辨谱分析，提取能量依赖的谱形和归一化轮廓。
• 分析从 0.5 keV 到 270 keV 的脉动轮廓，以识别形态变化和脉动成分。
• 利用 25.5 ks 的 XMM-Newton 观测数据，在 2–3 keV 处检测到一个不连续性，解释为曲谱成分。
• 将结果与关于 4U 0142+61 的先前研究进行比较，以在更大范围的磁星群体中定位本研究的发现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 2.8–270 keV 能量范围内，AXP 1RXS J170849-400910 的谱特性是什么？它们如何随相位变化？
• RQ2 在 20 keV 以下脉动轮廓发生剧烈变化的原因是什么？这与不同谱成分有何关联？
• RQ3 硬 X 射线发射是否具有脉动特征？目前在多高能量下检测到脉动？
• RQ4 谱成分（软、硬、曲）与磁层中不同区域的关系是什么？
• RQ5 脉动轮廓和谱的长期稳定性对辐射机制和磁层几何结构意味着什么？

主要发现

• 时间平均的硬 X 射线谱（20–175 keV）可用幂律谱描述，光子指数为 Γ = 1.13 ± 0.06，能量延伸至 175 keV，通量为 (7.76 ± 0.34) × 10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹。
• 脉动发射在 270 keV 处仍具有 12.3σ 的显著性，表明这是迄今在 AXP 中观测到的最高能量脉动发射。
• 识别出三种不同的谱成分：软幂律（Γ = 3.54）、硬幂律（Γ = 0.99）和曲谱成分（对数抛物线型），其峰值出现在相位区间 0.7–0.9。
• 软谱成分在相位 0.4 处达到峰值，硬谱和曲谱成分在相位 0.8 处达到峰值，曲谱成分的相位宽度约为 0.25，约为硬谱成分的一半。
• 谱形在 0.1 宽的相位区间内从极硬（Γ = 0.99 ± 0.05）急剧转变为极软（Γ = 3.58 ± 0.34），表明存在显著的谱变。
• 相位分辨谱在不同观测 epoch 间表现出平滑连接，证实了九年来脉动轮廓和谱形态的长期稳定性。