[论文解读] High-energy gamma-rays in the hard spectral state of Cyg X-1

A. A. Zdziarski, D. Malyshev+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用 2

一句话总结

本研究利用费米-LAT数据确认了天鹅座X-1在硬态和中间态下的高能伽马射线辐射，检测到40–80 MeV能量区间的软谱仪过量，并揭示了与纯逆康普顿散射不一致的轨道调制；具有同步辐射自康普顿过程的团块状喷流模型最能解释观测到的能谱和调制度幅度。

ABSTRACT

We have obtained a firm detection of Cyg X-1 during its hard and intermediate spectral states in the energy range of 40 MeV--60 GeV based on observations by the Fermi Large Area Telescope, confirming the independent results at $\geq$60MeV of a previous work. The detection significance is $\simeq\!8\sigma$ in the 0.1--10 GeV range. In the soft state, we have found only upper limits on the emission at energies $\gtrsim$0.1 MeV. However, we have found emission with a very soft spectrum in the 40--80 MeV range, not detected previously. This is likely to represent the high-energy cutoff of the high-energy power-law tail observed in the soft state. Similarly, we have detected a $\gamma$-ray soft excess in the hard state, which appears to be of similar origin. We have also confirmed the presence of an orbital modulation of the detected emission in the hard state, expected if the $\gamma$-rays are from Compton upscattering of stellar blackbody photons. However, the observed modulation is significantly weaker than that predicted if the blackbody upscattering were the dominant source of $\gamma$-rays. This argues for a significant contribution from $\gamma$-rays produced by the synchrotron-self-Compton process. We have found that such strong contribution is possible if the jet is strongly clumped. We reproduce the observed hard-state average broad-band spectrum using a self-consistent jet model, taking into account all the relevant emission processes, e$^\pm$ pair absorption, and clumping. This model also reproduces the amplitude of the observed orbital modulation.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT数据确认并表征天鹅座X-1在硬态和中间态下的高能伽马射线辐射。
• 研究在40–80 MeV能量区间观测到的软伽马射线过量的起源，此前在软态下未被探测到。
• 确定星体光子的康普顿上转换过程或同步辐射自康普顿过程在高能辐射中占主导地位。
• 将观测到的轨道调制度深度与基于喷流辐射机制的理论预测相协调。
• 开发一个自洽的喷流模型，整合团块化、对湮灭吸收及多种辐射过程，以重现全波段能谱和调制度。

提出的方法

• 对天鹅座X-1在硬态和中间态期间的费米大面积望远镜（LAT）数据进行分析，能量范围为40 MeV–60 GeV。
• 应用显著性检验，确认在0.1–10 GeV能量区间检测显著度约为~8σ，并在软态下设定上限。
• 使用包含同步辐射、同步辐射自康普顿和逆康普顿过程的自洽喷流模型拟合全波段谱能分布。
• 引入电子-正电子对湮灭吸收效应，以解释高能光子的衰减。
• 引入喷流团块化，以增强同步辐射自康普顿贡献并匹配观测到的调制度深度。
• 将不同辐射机制预测的轨道调制度幅度与观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1在40–80 MeV能量区间的先前未探测到的软伽马射线过量的本质是什么，它与软态能谱有何关联？
• RQ2 观测到的高能伽马射线轨道调制是否与星体黑体辐射的康普顿上转换一致，还是需要额外的辐射机制？
• RQ3 在团块状喷流中，同步辐射自康普顿过程能否同时重现观测到的全波段能谱和轨道调制度幅度？
• RQ4 电子-正电子对湮灭在塑造天鹅座X-1观测到的高能能谱中起什么作用？
• RQ5 喷流团块化如何影响硬态下同步辐射自康普顿过程对总伽马射线辐射的相对贡献？

主要发现

• 在硬态和中间态期间，对天鹅座X-1在高能段（40 MeV–60 GeV）实现了确定性检测，0.1–10 GeV能量区间显著度约为~8σ。
• 在40–80 MeV能量区间检测到软伽马射线过量，可能代表软态中观测到的幂律尾部的高能截止。
• 在硬态中也发现了类似的软过量，表明两种光谱态下高能辐射具有共同起源。
• 观测到的伽马射线轨道调制度明显弱于纯星体黑体辐射上转换的理论预测，表明该机制作用较弱。
• 数据最符合强团块化喷流中的同步辐射自康普顿过程，其贡献相对于标准模型有所增强。
• 整合团块化、对湮灭吸收和多种辐射过程的自洽喷流模型成功重现了观测到的全波段能谱和轨道调制度幅度。