[论文解读] Long Term Variability of Cyg X-1, II. The rms-Flux Relation

T. Gleissner, J. Wilms+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 35被引用 64

一句话总结

本研究利用RXTE数据，确认了1996年至2003年间天鹅座X-1在所有光谱状态（硬态、中间态、软态）下均存在线性均方根-通量关系，表明在秒至月的时标上，变异性幅度与通量呈线性比例关系。非零截距表明存在一个持续的恒定均方根成分，且斜率-截距-平均通量关系在硬态中形成一个基本平面，暗示存在由可变与不可变成分组成的双组分辐射模型。

ABSTRACT

We study the long term evolution of the relationship between the root mean square (rms) variability and flux (the “rms-flux relation”) for the black hole Cygnus X-1 as monitored from 1996 to 2003 with the Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE). We confirm earlier results by [CITE] of a linear relationship between rms and flux in the hard state on time scales >5 s reflecting in its slope the fractional rms variability. We demonstrate the perpetuation of the linear rms-flux relation in the soft and the intermediate state. The existence of a non-zero intercept in the linear rms-flux relation argues for two lightcurve components, for example, one variable and one non-variable component, or a possible constant rms component. The relationship between these two hypothesized components can be described by a fundamental dependence of slope and intercept at time scales <∼10 ksec with long term averages of the flux.

研究动机与目标

• 研究天鹅座X-1在多个光谱状态下的均方根-通量关系的长期演化特征。
• 确定在短时标观测中观察到的线性均方根-通量关系是否在长时标（周至年）范围内依然成立。
• 探讨均方根-通量关系中非零截距的物理起源，特别是恒定均方根成分的存在。
• 检查硬态中均方根-通量关系的斜率与截距与长期平均通量⟨F⟩之间的相关性。
• 评估均方根-通量关系在不同能带和时间尺度上的稳健性，同时考虑仪器效应的影响。

提出的方法

• 分析了1996年至2003年期间RXTE/PCA的光 lightcurves，覆盖了天鹅座X-1的所有光谱状态。
• 利用分段光 lightcurves，在多个时标（从秒到周）上计算了通量平均的均方根（rms）变异性。
• 对均方根与通量关系拟合线性模型：rms = k × F + C，其中k为斜率，C为通量轴截距。
• 使用能带1–5（2–73.5 keV）研究能谱依赖性，因缓冲溢出伪影而排除能带1。
• 在硬态中绘制k-C-⟨F⟩关系，以识别基本平面，其中⟨F⟩为隐藏参数。
• 使用GoodXenon数据验证结果，并交叉检查了PCA低能带中缓冲溢出等仪器效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1在所有光谱状态下的线性均方根-通量关系是否在长期监测中持续存在？
• RQ2 均方根-通量关系中的非零截距（C）的物理起源是什么？它是否表明存在恒定均方根成分？
• RQ3 在硬态中，均方根-通量关系的斜率（k）与截距（C）如何与长期平均通量⟨F⟩相关联？
• RQ4 均方根-通量关系在不同能带和时间尺度上是否稳健，包括周至月的长期变异性？
• RQ5 PCA低能带中的仪器效应（如缓冲溢出）如何影响观测到的均方根-通量关系，特别是在低能带中？

主要发现

• 线性均方根-通量关系在所有光谱状态（硬态、中间态、软态）下均成立，时间尺度从秒到月。
• 在硬态中，斜率k比软态和中间态更陡，band 2中k ≈ 0.3–0.4，表明分数变异性更高。
• 在硬态中，截距C相对恒定且为正（band 2中C ≈ 0.02–0.03），但在2001/2002年软态中变为负值，表明恒定均方根成分占主导。
• 在硬态中识别出一个基本的k-C-⟨F⟩平面，其中k与C相关且在高值时退化，⟨F⟩作为控制退化关系的隐藏参数。
• 在硬态中确认了F-σ-Γ相关性，光谱指数Γ与k、C或Clong无强相关性。
• PCA低能带（band 1）中的缓冲溢出导致均方根-通量关系出现人为的“拱形”偏差；该效应通过在分析中使用band 2得以缓解。