[论文解读] Determining the spin of two stellar-mass black holes from disk reflection signatures

R. C. Reis, A. C. Fabian+2 more|ArXiv.org|Feb 10, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

该论文利用XMM-Newton X射线数据和一种自洽的相对论性反射模型（包含盘黑体发射和康普顿化效应），独立于质量与距离，确定了两个恒星级黑洞SWIFT J1753.5-0127和GRO J1655-40的自旋参数。该方法不依赖于质量或距离，对J1753.5-0127的自旋参数测量结果为$0.76^{+0.11}_{-0.15}$，对J1655-40则给出$a > 0.90$的下限，且存在强烈的盘面倾斜证据。

ABSTRACT

We present measurements of the dimensionless spin parameters and inner-disk inclination of two stellar mass black holes. The spin parameter of SWIFT J1753.5-0127 and GRO J1655-40 are estimated by modelling the strong reflection signatures present in their XMM-Newton observations. Using a newly developed, self-consistent reflection model which includes the blackbody radiation of the disk as well as the effect of Comptonisation, blurred with a relativistic line function, we infer the spin parameter of SWIFT J1753.5-0127 to be 0.76 +0.11-0.15. The inclination of this system is estimated at 55+2-7 degrees. For GRO J1655-40 we find that the disk is significantly misaligned to the orbital plane, with an innermost inclination of 30+5-10 degrees. Allowing the inclination to be a free parameter we find a lower limit for the spin of 0.90, this value increases to that of a maximal rotating black hole when the inclination is set to that of the orbital plane of J1655-40. Our technique is independent of the black hole mass and distance, uncertainties in which are among the main contributors to the spin uncertainty in previous works.

研究动机与目标

• 利用X射线反射特征确定两个恒星级黑洞SWIFT J1753.5-0127和GRO J1655-40的自旋参数。
• 克服以往自旋测量中因黑洞质量与距离不确定而带来的问题。
• 检验吸积盘是否延伸至最内稳定圆轨道（ISCO），作为自旋的直接指标。
• 评估不需在ISCO处截断盘面的替代谱模型的物理一致性。

提出的方法

• 使用一种自洽的相对论性反射模型（REFHIDEN）对XMM-Newton X射线谱进行建模，该模型包含盘黑体发射和康普顿化效应。
• 通过相对论性模糊线函数卷积反射谱，以考虑黑洞附近的多普勒频移和引力红移效应。
• 使用谱网格（REFHIDEN）计算在不同自旋参数、电离参数和倾角范围内的反射特征。
• 通过组合盘热辐射与反射成分拟合观测X射线谱，以约束内盘半径与自旋参数。
• 通过比较卡方统计量与物理一致性，评估包括高度电离且截断盘在内的竞争模型。
• 通过计算盘半厚度与内半径之比（$t/r$）评估盘几何结构，以检验高电离、截断盘解的物理合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SWIFT J1753.5-0127的无量纲自旋参数是多少？其吸积盘是否延伸至最内稳定圆轨道？
• RQ2 GRO J1655-40的自旋参数与内盘倾角是多少？盘面是否相对于轨道平面发生倾斜？
• RQ3 高电离、截断盘模型能否在不依赖ISCO发射的前提下解释X射线谱？
• RQ4 包含康普顿化与盘黑体发射是否能提升自旋测量的物理一致性？
• RQ5 这些系统中观测到的宽Fe-Kα线是更符合相对论性反射，还是截断盘中的康普顿展宽？

主要发现

• SWIFT J1753.5-0127的自旋参数在90%置信水平下测得为$0.76^{+0.11}_{-0.15}$，表明其为快速旋转的黑洞。
• J1753.5-0127的最内盘倾角估计为$55^{+2}_{-7}$度，与中等倾角系统一致。
• 对于GRO J1655-40，最佳拟合模型要求盘面相对于轨道平面发生倾斜，其最内盘倾角为$30^{+5}_{-10}$度。
• GRO J1655-40的自旋参数在90%置信水平下被约束为下限$a > 0.90$，若盘倾角与轨道平面一致，则可达到最大自旋（$a=1$）。
• 一种竞争模型假设在$\sim 255\ r_{\rm g}$处存在高度电离且截断的盘，但该模型在物理上不一致，因其预测的盘厚径比（$t/r$）超过1，违反了薄盘假设。
• 一个物理解要求求解必须使盘延伸至ISCO（$\sim 6\ r_{\rm g}$），且电离参数较低（$\xi \sim 500\ \rm{erg\ cm^2\ s^{-1}}$），使卡方值改善-7.7，对应额外两个自由度。