[论文解读] RX J0440.9+4431: another supercritical X-ray pulsar

Alexander Salganik, Sergey S. Tsygankov+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本研究利用NuSTAR、INTEGRAL、NICER和Swift的观测数据，首次对2023年初爆发的Be/X射线双星RX J0440.9+4431进行了详细的光谱与时间分析。研究识别出在~2.8×10³⁷ erg s⁻¹的光度处存在一个突变，标志着超爱丁顿吸积的开始，伴随脉动轮廓和谱硬化程度的急剧变化。研究结论认为，此前报道的30 keV回旋共振散射特征（CRSF）可能并非真实存在，暗示中子星的磁场强度约为10¹³ G。

ABSTRACT

In the beginning of 2023 the Be transient X-ray pulsar RX J0440.9+4431 underwent a fist-ever giant outburst observed from the source peaking in the beginning of February and reaching peak luminosity of $\sim 4.3 imes10^{37}$ erg s$^{-1}$. Here we present the results of a detailed spectral and temporal study of the source based on NuSTAR, INTEGRAL, Swift, and NICER observations performed during this period and covering wide range of energies and luminosities. We find that both the pulse profile shape and spectral hardness change abruptly around $\sim2.8 imes10^{37}$ erg s$^{-1}$, which we associate with a transition to super-critical accretion regime and erection of the accretion column. The observed pulsed fraction decreases gradually with energy up to 20 keV (with a local minimum around fluorescence iron line), which is unusual for an X-ray pulsar, and then rises rapidly at higher energies with the pulsations significantly detected up to $\sim120$ keV. The broadband energy spectra of RX J0440.9+4431 at different luminosity states can be approximated with a two-hump model with peaks at energies of about 10-20 and 50-70 keV previously suggested for other pulsars without additional features. In particular an absorption feature around 30 keV previously reported and interpreted as a cyclotron line in the literature appears to be absent when using this model, so the question regarding the magnetic field strength of the neutron star remains open. Instead, we attempted to estimate field using several indirect methods and conclude that all of them point to a relatively strong field of around $B\sim 10^{13}$ G.

研究动机与目标

• 研究RX J0440.9+4431在2023年初巨型爆发期间的光谱与时间演化特征。
• 确定此前报道的30 keV回旋共振散射特征（CRSF）是否为物理真实特征，还是光谱建模中的伪影。
• 在光谱特征存在歧义的情况下，使用间接方法估计中子星的磁场强度。
• 理解从亚爱丁顿到超爱丁顿吸积状态的转变过程及其对脉动轮廓和谱硬化程度的影响。
• 利用相位平均与相位分辨的光谱建模，表征3–120 keV能段的连续谱特性。

提出的方法

• 分析NuSTAR、INTEGRAL、NICER和Swift在爆发光 light curve 多个观测期间的同步宽带X射线数据。
• 采用双峰comptt+comptt模型进行相位平均与相位分辨的光谱拟合，以描述连续谱，替代此前使用的含30 keV回旋线的模型。
• 应用谱硬化-光度图以识别出约2.8×10³⁷ erg s⁻¹处的光度转变，解释为超爱丁顿吸积的开始。
• 在高达120 keV的能量能段内进行脉动轮廓分析，发现调制深度呈非单调变化，在~20 keV处出现最小值，并在26 keV以上出现急剧上升。
• 利用自转加快率测量与冷盘面吸积光度，独立于光谱线约束中子星的磁场强度。
• 对含与不含30 keV吸收特征的模型进行统计比较，以检验其显著性，最终结论为该特征并非数据所必需。

实验结果

研究问题

• RQ1 ~2.8×10³⁷ erg s⁻¹处的光度转变是否标志着RX J0440.9+4431中超爱丁顿吸积的开始？
• RQ2 此前报道的30 keV回旋共振散射特征（CRSF）是真实光谱特征，还是光谱建模中的伪影？
• RQ3 在未检测到CRSF的情况下，RX J0440.9+4431中子星的磁场强度是多少？
• RQ4 在爆发过程中，脉动轮廓形状与调制深度如何随能量与光度演化？
• RQ5 两个光谱峰的温度以及铁Kα线参数如何与X射线流量相关联？

主要发现

• 在~2.8×10³⁷ erg s⁻¹处的光度转变标志着超爱丁顿吸积的开始，伴随脉动轮廓形状与谱硬化程度的急剧变化。
• 在转变前，脉动轮廓呈双峰结构；转变后则变为单峰结构，且在光度达~2.6×10³⁷ erg s⁻¹时出现凹陷，而在能量分辨分析中，该凹陷在26 keV以上变为峰值。
• 调制深度在~20 keV处逐渐降低，接近铁Kα线能量处出现局部最小值，随后在26 keV以上急剧上升，且在~120 keV能量段仍检测到显著的脉动调制。
• 宽带光谱最适宜由一个双峰comptt+comptt模型描述，其峰值分别位于~10–20 keV和~50–70 keV，无需引入30 keV的回旋线特征。
• 在采用双峰模型时，此前报道的30 keV吸收特征不再被数据支持，表明其可能为伪影，并非真实的回旋线。
• 通过自转加快率、超爱丁顿吸积转变点以及冷盘面吸积光度，独立估算出中子星磁场强度约为10¹³ G，多种间接方法结果一致。