[论文解读] Spectral state dependence of the 0.4-2 MeV polarized emission in Cygnus X-1 seen with INTEGRAL/IBIS, and links with the AMI radio data

Juan Rodríguez, V. Grinberg+7 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究利用10年期INTEGRAL/IBIS数据，解决了天鹅座X-1在0.4–2 MeV能量范围内的偏振发射对光谱状态的依赖性，发现在硬态下偏振度为75±32%，与来自致密喷流的同步辐射一致；而在软态或中间态中未检测到显著偏振。该检测结果与同时期AMI 15 GHz射电数据相关联，显示仅在硬态和中间态中存在致密喷流，进一步支持高能发射的喷流起源。

ABSTRACT

Polarization of the >~400 keV hard tail of the microquasar Cygnus X-1 has been independently reported by INTEGRAL/IBIS, and INTEGRAL/SPI and interpreted as emission from a compact jet. These conclusions were, however, based on the accumulation of all INTEGRAL data regardless of the spectral state. We utilize additional INTEGRAL exposure accumulated until December 2012, and include the AMI/Ryle (15 GHz) radio data in our study. We separate the observations into hard, soft, and intermediate/transitional states and detect radio emission from a compact jet in hard and intermediate states, but not in the soft. The 10-400 keV INTEGRAL (JEM-X and IBIS) state resolved spectra are well modeled with thermal Comptonization and reflection components. We detect a hard tail in the 0.4-2 MeV range for the hard state only. We extract the state dependent polarigrams of Cyg X-1, which all are compatible to no or undetectable level of polarization except in 400-2000 keV range in the hard state where the polarization fraction is 75$\pm$32 % and the polarization angle 40.0 +-14 deg. An upper limit on the 0.4-2 MeV soft state polarization fraction is 70%. Due to the short exposure, we obtain no meaningful constraint for the intermediate state. The likely detection of a >400 keV polarized tail in the hard state, together with the simultaneous presence of a radio jet, reinforce the notion of a compact jet origin of the 400 keV emission.

研究动机与目标

• 利用状态分辨的INTEGRAL/IBIS数据，研究天鹅座X-1在0.4–2 MeV能量范围内偏振发射对光谱状态的依赖性。
• 将高能X射线偏振与AMI射电望远镜在15 GHz频段的射电发射进行关联，以检验硬尾辐射的致密喷流起源。
• 通过延长曝光时间，特别是软态下的曝光时间，进一步约束软态和中间态中的偏振特性。
• 基于偏振与光谱特性，判断400 keV以上高能发射是否源于喷流中的有序磁场所产生的同步辐射。

提出的方法

• 收集了约10年INTEGRAL/IBIS和JEM-X的数据，曝光时间延长至2012年12月，使软态曝光时间几乎翻倍。
• 根据Grinberg等人（2013）提出的标准，将观测数据划分为硬态（LHS）、中间态（IS）和软态（HSS）。
• 使用热Compton化和反射成分对10 keV–2 MeV的能量范围进行建模，仅在硬态中发现0.4–2 MeV范围内具有硬幂律尾部。
• 利用状态分辨的偏振图提取0.4–2 MeV能量段的偏振度与偏振角，不确定性通过统计误差与系统误差的传播进行估算。
• 利用AMI/Ryle射电望远镜在15 GHz频段的数据识别致密喷流发射，并比较不同光谱状态下的流量密度。
• 由于曝光时间较低，对中间态和软态采用贝叶斯与似然方法推导偏振的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-1在0.4–2 MeV范围内的偏振发射是否具有状态依赖性？若存在，其在何种光谱状态下可被探测到？
• RQ2 在15 GHz频段检测到的致密射电喷流是否与400 keV以上偏振发射的出现相关？
• RQ3 在硬态下，0.4–2 MeV发射的偏振度与偏振角是多少？其是否与喷流起源一致？
• RQ4 尽管曝光时间增加，为何在软态或中间态中未检测到显著偏振？
• RQ5 400 keV以上的高能尾部是否可由喷流中高度有序磁场产生的同步辐射来解释？

主要发现

• 仅在硬态中检测到0.4–2 MeV能量范围内的硬尾，其能谱可良好拟合为无明显截断的硬幂律谱。
• 在硬态下，0.4–2 MeV能量段的偏振度为75±32%，偏振角为40.0°±14.3°，与来自致密喷流的同步辐射一致。
• 由于曝光时间较低，中间态中未检测到显著偏振，仅获得非约束性上限。
• 尽管软态曝光时间接近翻倍，0.4–2 MeV偏振度的上限仍为70%，表明该能段的尾部更微弱或无偏振。
• 在硬态下15 GHz射电发射的流量密度约为13 mJy，在中间态下约为15 mJy，表明此两态中存在致密喷流。
• 在软态中未检测到持续射电发射，支持无致密喷流存在，与无偏振X射线发射的结果一致。