[论文解读] NuSTAR discovery of a luminosity dependent cyclotron line energy in Vela X-1

F. Fuerst, K. Pottschmidt+14 more|Technical University of Denmark, DTU Orbit (Technical University of Denmark, DTU)|Nov 21, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究利用NuSTAR首次直接测量了Vela X-1中具有亮度依赖性的回旋共振能级，揭示了在千秒 timescales 上线能量与X射线通量之间的相关性。结果支持次临界吸积状态，具有狭窄的吸积柱和库仑主导的激波，而基频线与谐频线强度的反相关性表明存在光子倍增效应，解决了关于基频线是否存在这一长期争议。

ABSTRACT

We present NuSTAR observations of Vela X-1, a persistent, yet highly variable, neutron star high-mass X-ray binary (HMXB). Two observations were taken at similar orbital phases but separated by nearly a year. They show very different 3-79 keV flux levels as well as strong variability during each observation, covering almost one order of magnitude in flux. These observations allow, for the first time ever, investigations on kilo-second time-scales of how the centroid energies of cyclotron resonant scattering features (CRSFs) depend on flux for a persistent HMXB. We find that the line energy of the harmonic CRSF is correlated with flux, as expected in the sub-critical accretion regime. We argue that Vela X-1 has a very narrow accretion column with a radius of around 0.4 km that sustains a Coulomb interaction dominated shock at the observed luminosities of Lx ~ 3x10^36 erg/s. Besides the prominent harmonic line at 55 keV the fundamental line around 25 keV is clearly detected. We find that the strengths of the two CRSFs are anti-correlated, which we explain by photon spawning. This anti-correlation is a possible explanation for the debate about the existence of the fundamental line. The ratio of the line energies is variable with time and deviates significantly from 2.0, also a possible consequence of photon spawning, which changes the shape of the line. During the second observation, Vela X-1 showed a short off-state in which the power-law softened and a cut-off was no longer measurable. It is likely that the source switched to a different accretion regime at these low mass accretion rates, explaining the drastic change in spectral shape.

研究动机与目标

• 在千秒 timescales 上研究一个持续性大质量X射线双星中回旋共振散射特征（CRSFs）的通量依赖行为。
• 确定Vela X-1中谐频CRSF的能量是否随亮度变化，如次临界吸积模型所预测。
• 通过分析基频线与谐频线之间的反相关性，解决关于基频回旋线是否存在这一长期争议。
• 利用观测到的线能量与通量相关性，约束吸积柱几何结构与中子星质量。
• 通过高分辨率光谱分析，探索吸积柱中的物理条件，包括激波特性和磁场效应。

提出的方法

• 对相隔近一年、轨道相位相近的两次NuSTAR观测数据进行高时间分辨率光谱分析。
• 使用具有高能截止和回旋共振散射特征（CRSFs）的吸收幂律模型拟合3–79 keV能量范围的光谱。
• 在脉冲周期和千秒 timescales 上追踪连续谱通量、吸收柱密度及回旋线中心能量的时变特性。
• 利用观测到的线能量–亮度相关性，检验具有库仑主导激波的次临界吸积理论模型。
• 应用光子倍增模型以解释基频线与谐频线强度之间的反相关性。
• 利用观测到的线能量演化与Becker等人（2012）的理论预测，估算吸积柱半径与中子星质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Vela X-1中的回旋线能量是否在千秒 timescales 上随X射线通量变化？
• RQ2 观测到的线能量–亮度相关性是否与次临界吸积及库仑主导激波一致？
• RQ3 为何约25 keV的基频回旋线与约55 keV的谐频线呈反相关？
• RQ4 吸积柱中的何种物理条件导致线能量比偏离2.0的可变性？
• RQ5 在低通量停机状态期间，光谱为何发生显著软化且高能截止消失？

主要发现

• Vela X-1中谐频回旋线能量随亮度升高而增加，首次为持续性大质量X射线双星中亮度依赖的线能量提供了直接观测证据。
• 观测到的线能量与通量相关性与次临界吸积模型预测一致，且在半径约0.4 km的狭窄吸积柱中，激波由库仑主导。
• 约25 keV的基频线被明确探测到，其强度与谐频线强度呈反相关，支持光子倍增模型作为长期争议中基频线存在性的解释。
• 谐频与基频线能量之比具有可变性，显著偏离2.0，表明由于光子倍增导致能量依赖的线型展宽或能量位移。
• 在低通量停机状态期间，光谱软化且高能截止消失，表明在低质量吸积率下可能发生了吸积状态的转变。
• 数据支持中子星质量超过1.4 M⊙，与独立的轨道和光学测量一致，并支持狭窄吸积柱几何结构。