[论文解读] The first X-ray polarimetric observation of the black hole binary LMC X-1

Jakub Podgorný, Lorenzo Marra+109 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究利用成像X射线偏振探测器（IXPE）首次对黑洞双星LMC X-1进行了X射线偏振观测，在2–8 keV能量 band内以99%置信水平测得偏振度低于1.1%。结果与几何薄、光学厚吸积盘的纯热辐射一致，且在不同假设的康普顿化成分偏振下，吸积盘偏振度上限分别为1.0%、0.9%或0.9%，支持高/软态下吸积盘辐射的理论模型。

ABSTRACT

We report on an X-ray polarimetric observation of the high-mass X-ray binary LMC X-1 in the high/soft state, obtained by the Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) in October 2022. The measured polarization is below the minimum detectable polarization of 1.1 per cent (at the 99 per cent confidence level). Simultaneously, the source was observed with the NICER, NuSTAR and SRG/ART-XC instruments, which enabled spectral decomposition into a dominant thermal component and a Comptonized one. The low 2-8 keV polarization of the source did not allow for strong constraints on the black-hole spin and inclination of the accretion disc. However, if the orbital inclination of about 36 degrees is assumed, then the upper limit is consistent with predictions for pure thermal emission from geometrically thin and optically thick discs. Assuming the polarization degree of the Comptonization component to be 0, 4, or 10 per cent, and oriented perpendicular to the polarization of the disc emission (in turn assumed to be perpendicular to the large scale ionization cone orientation detected in the optical band), an upper limit to the polarization of the disc emission of 1.0, 0.9 or 0.9 per cent, respectively, is found (at the 99 per cent confidence level).

研究动机与目标

• 利用IXPE测量高质质量黑洞双星LMC X-1在高/软谱态下的X射线偏振度。
• 利用偏振数据约束黑洞自旋和吸积盘倾角，因其对辐射几何结构和散射物理敏感。
• 检验基于钱德拉塞卡散射形式理论的薄、光学厚吸积盘偏振预测。
• 研究偏振度的时间变异性，可能与随机冕区结构或轨道调制有关。
• 结合IXPE、NICER、NuSTAR和SRG/ART-XC的多波段X射线数据，开展全波段谱-偏振分析。

提出的方法

• 利用IXPE、NICER、NuSTAR和SRG/ART-XC开展562 ks的同步观测，获取全波段X射线谱和偏振数据。
• 采用包含多温度盘组件、康普顿化幂律组件且反射分量可忽略的模型拟合全波段X射线谱。
• 在光谱-偏振拟合中假设热盘与康普顿化成分的偏振矢量正交，依据光学电离锥方向。
• 利用99%置信水平下1.1%的最小可探测偏振度（MDP），在不同康普顿化成分偏振假设下设定吸积盘偏振度的上限。
• 通过时间分辨偏振分析搜索变异性，考虑随机冕区模型作为可能的起源。
• 利用HEASARC的公开数据、xspec建模软件和ixpeobssim模拟软件包进行数据降噪与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 LMC X-1在高/软态下的本征X射线偏振度是多少？IXPE测量结果如何？
• RQ2 测量得到的偏振度如何约束吸积盘几何结构与黑洞自旋？
• RQ3 偏振度是否与薄、光学厚盘热辐射的理论预测一致？
• RQ4 偏振度是否表现出时间变异性？若存在，可能的物理机制是什么？
• RQ5 在不同康普顿化成分偏振假设下，热盘辐射的偏振度上限是多少？

主要发现

• 在2–8 keV能量带内，LMC X-1的平均X射线偏振度在99%置信水平下被限制在1.1%以下，与无显著偏振一致。
• 当假设康普顿化成分无偏振（0%）时，热盘辐射偏振度上限为1.0%；当假设其偏振度为4%或10%时，上限分别为0.9%。
• 观测到的偏振角与光学电离锥的投影取向一致，表明X射线偏振辐射可能与大尺度外流结构相关。
• 发现偏振度存在微弱变异性证据，可能源于盘上方板状冕区的随机涨落。
• 全波段谱拟合确认存在主导的热盘成分和从约10 keV开始的康普顿化幂律成分，反射分量可忽略。
• 562 ks的观测未因偏振信号过低而对黑洞自旋或吸积盘倾角提供统计显著的约束。