[论文解读] Spectral Analysis of New Black Hole Candidate AT2019wey Observed by NuSTAR

Ye Feng, Xueshan Zhao+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 83被引用 9

一句话总结

本研究利用NuSTAR在低/软态下的观测数据，对新发现的黑洞候选体AT2019wey进行了详细的光谱分析，采用先进的relxill相对论性反射模型约束其物理参数。分析结果显示，黑洞自旋接近极端值，$ a^* \sim 0.97 $，与内盘半径达到最内稳定圆轨道（ISCO）一致，同时铁元素丰度较高（$ A_{Fe} \sim 5 \, A_{Fe,\odot} $），且吸积盘电离状态较强（$ \log \xi \sim 3.4-3.6 $）。

ABSTRACT

AT2019wey is a new galactic X-ray binary that was first discovered as an optical transient by the Australia Telescope Large Area Survey (ATLAS) on December 7, 2019. AT2019wey consists of a black hole candidate as well as a low-mass companion star ($M_{ ext {star }} \lesssim 0.8 M_{\odot}$) and is likely to have a short orbital period ($P_{ ext {orb }} \lesssim 8$ h). Although AT2019wey began activation in the X-ray band during almost the entire outburst on March 8, 2020, it did not enter the soft state during the entire outburst. In this study, we present a detailed spectral analysis of AT2019wey in the low/hard state during its X-ray outburst on the basis of Nuclear Spectroscopic Telescope Array \emph observations. We obtain tight constraints on several of its important physical parameters by applying the State-of-art exttt{relxill} relativistic reflection model family. In particular, we determine that the measured inner radius of the accretion disk is most likely to have extended to the innermost stable circular orbit (ISCO) radius, i.e., $R_{ ext{in}}=1.38^{+0.23}_{-0.16}~R_{ ext{ISCO}}$. Hence, assuming $R_{ ext{in}}$=$R_{ ext{ISCO}}$, we find the spin of AT2019wey to be $a_{*}\sim$ $0.97$, which is close to the extreme and an inner disk inclination angle of ~$i\sim$ $22 ^{\circ}$. Additionally, according to our adopted models, AT2019wey tends to have a relatively high iron abundance of $A_{\mathrm{Fe}}\sim$ 5 $A_{\mathrm{Fe}, \odot}$ and a high disk ionization state of $\log \xi\sim$ 3.4.

研究动机与目标

• 利用高能X射线谱学方法测定新发现的X射线双星AT2019wey中黑洞的自旋。
• 约束内盘半径并检验其是否延伸至最内稳定圆轨道（ISCO），这是通过相对论性反射建模实现精确自旋测量的前提条件。
• 利用relxill相对论性反射模型族研究吸积盘的物理条件，包括电离状态、铁元素丰度和倾角。
• 评估在多种模型变体下自旋与盘参数估计的稳健性，并分析日冕外流等潜在系统效应的影响。

提出的方法

• 使用XSPEC v12.11.15在3.0–79.0 keV能量范围内对NuSTAR FPMA与FPMB数据进行联合谱拟合，采用$ \chi^2 $统计方法。
• 应用最先进的relxill相对论性反射模型族，对吸积盘对主连续谱的X射线再处理过程进行建模，包括相对论性展宽和康普顿化效应。
• 将氢柱密度固定为$ N_H = 3.39 \times 10^{21} \, \text{cm}^{-2} $，该值来自HI Profile Search网站，以减少谱拟合中的参数退化。
• 在XSPEC中使用Crab校准模型（crabcor）基于同时段的蟹状星云观测结果校准绝对通量。
• 测试多种模型配置，包括相对论性（relxill）与非相对论性（xillver）反射模型，以评估结果的一致性。
• 约束反射分数并利用$ \Gamma \approx 1.9 / \sqrt{B} $的异常模型评估日冕外流对谱特征的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 AT2019wey中黑洞的自旋是多少？内盘半径是否延伸至ISCO，从而支持通过相对论性反射建模实现可靠的自旋测量？
• RQ2 吸积盘的物理条件如何，包括其电离状态（$ \log \xi $）、铁元素丰度（$ A_{Fe} $）和倾角（$ i $）？
• RQ3 尽管存在强烈的反射特征，为何反射分数较低（$ R_{\text{ref}} \sim 0.3-0.4 $）？日冕外流在此过程中扮演何种角色？
• RQ4 在不同模型假设下（包括相对论性与非相对论性反射模型），自旋与盘参数估计的稳健性如何？
• RQ5 高自旋的起源是什么？是否指向原初形成或吸积诱导的自旋机制？

主要发现

• AT2019wey的内盘半径与ISCO一致，$ R_{\text{in}} = 1.38^{+0.23}_{-0.16} \, R_{\text{ISCO}} $，支持使用相对论性反射模型进行自旋测量。
• 黑洞自旋测量值为$ a^* = 0.97^{+0.02}_{-0.03} $，表明其为接近极端的Kerr黑洞。
• 盘倾角被约束为$ i = 22.0^{+2.6}_{-2.9}^\circ $，与低倾角盘几何结构一致。
• 铁元素丰度为超太阳系水平，$ A_{Fe} = 5.3^{+0.7}_{-0.4} \, A_{Fe,\odot} $，显著高于太阳丰度。
• 盘电离状态较高，$ \log \xi = 3.6 \pm 0.1 $，表明受到强烈的X射线辐照。
• 所有测试模型在$ 1\sigma $范围内均给出一致的自旋值，$ a^* \sim 0.96-0.97 $，证实了结果的稳健性。