[论文解读] The Milky Way in X-rays for an outside observer: Log(N)-Log(S) and Luminosity Function of X-ray binaries from RXTE/ASM data

H. J. Grimm, M. Gilfanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2001

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 87被引用 215

一句话总结

本研究利用1996–2000年RXTE/ASM数据，构建了银河系内高、低质量X射线双星（HMXBs和LMXBs）的Log(N)–Log(S)分布及X射线光度函数，揭示了其截然不同的空间分布特征：LMXBs在银心区域达到峰值，标高为410 pc，而HMXBs则集中于银道面（标高150 pc），并追踪旋臂结构。总2–10 keV光度主要由5–10颗最亮源贡献，LMXBs贡献了约90%的总光度（约2–3×10³⁹ erg s⁻¹），且至少16个源表现出超爱丁顿光度爆发。

ABSTRACT

We study the Log(N)-Log(S) and X-ray luminosity function in the 2-10 keV energy band, and the spatial (3-D) distribution of bright, log(L_X) > 34-35 erg/s, X-ray binaries in the Milky Way. In agreement with theoretical expectations and earlier results we found significant differences between the spatial distributions of low (LMXB) and high (HMXB) mass X-ray binaries. The volume density of LMXB sources peaks strongly at the Galactic Bulge. HMXBs tend to avoid the inner 3-4 kpc of the Galaxy, HMXBs are more concentrated towards the Galactic Plane and show clear signatures of the spiral structure in their spatial distribution. LMXB sources have a flatter Log(N)-Log(S) distribution and luminosity function than HMXBs. The integrated 2-10 keV luminosities of X-ray binaries, averaged over 1996--2000, are 2-3 * 10^39 (LMXB) and 2-3 * 10^38 (HMXB) erg/s. Normalised to the stellar mass and the star formation rate, respectively, these correspond to 5 * 10^28 erg/s/M_sol for LMXBs and 5 * 10^37 erg/s/(M_sol/yr) for HMXBs. Due to the shallow slopes of the luminosity functions the integrated emission of X-ray binaries is dominated by the 5-10 most luminous sources which determine the appearance of the Milky Way in the standard X-ray band for an outside observer. In particular variability of individual sources or an outburst of a bright transient source can increase the integrated luminosity of the Milky Way by as much as a factor of ~2. Although the average LMXB luminosity function shows a break near the Eddington luminosity for a 1.4 M_sol neutron star, at least 11 sources showed episodes of super-Eddington luminosity during ASM observations. We provide the maps of distribution of X-ray binaries in the Milky Way in various projections, which can be compared to images of nearby galaxies taken by CHANDRA and XMM-Newton.

研究动机与目标

• 利用长期RXTE/ASM观测数据，确定银河系中X射线双星的Log(N)–Log(S)分布及X射线光度函数。
• 研究HMXBs和LMXBs的三维空间分布，比较其结构特性，如标高、对银道面和银心的集中程度。
• 量化银河系在2–10 keV波段的总X射线光度，并评估单个明亮源对总辐射的贡献。
• 识别并绘制表现出超爱丁顿光度的源，特别是1.4 M⊙中子星，评估其对总光度的影响。
• 提供校准后的光度函数和源图，以供与钱德拉和XMM-Newton对邻近星系的深度X射线观测进行比较。

提出的方法

• 利用1996–2000年RXTE/ASM全天监测数据，通量灵敏度极限约为~6.4×10⁻¹¹ erg s⁻¹ cm⁻²，构建HMXBs和LMXBs的Log(N)–Log(S)分布。
• 应用银河系质量模型及已知源距离，将观测通量转换为本征2–10 keV光度，使光度函数可推导至~2×10³⁵ erg s⁻¹的水平。
• 对微分Log(N)–Log(S)分布拟合幂律，得到HMXBs的斜率为1.61±0.12，LMXBs的斜率为-1.2±0.06，LMXBs在~3.5×10⁻⁸ erg s⁻¹ cm⁻²处存在高通量截断。
• 通过使用银河系恒星质量分布的三维模型反向投影空间分布，构建光度函数，揭示HMXB的幂律斜率为1.64，LMXB为1.27，LMXB在~2.7×10³⁸ erg s⁻¹处存在光度截断。
• 通过将峰值通量与1.4 M⊙中子星的爱丁顿极限（~1.3×10³⁸ erg s⁻¹）比较，识别出超爱丁顿源，发现至少16次此类爆发事件。
• 生成X射线双星在不同投影下的三维分布图，以便与河外星系的钱德拉和XMM-Newton观测直接对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 HMXBs和LMXBs在三维空间中的分布有何不同，尤其与银道面、银心及旋臂结构的关系如何？
• RQ2 HMXBs和LMXBs在2–10 keV波段的Log(N)–Log(S)分布及光度函数是什么？二者有何差异？
• RQ3 最亮X射线双星对银河系总2–10 keV X射线光度的贡献比例是多少？变异性如何影响总光度？
• RQ4 银河系中有多少X射线双星表现出超爱丁顿光度？它们在银河系中的分布如何？
• RQ5 银河系在多大程度上可作为外部星系中L_X/SFR和L_X/M_star关系的校准基准？

主要发现

• 银河系中所有X射线双星的总2–10 keV光度约为~2–3×10³⁹ erg s⁻¹，其中LMXBs贡献约90%（~2.5×10³⁹ erg s⁻¹），HMXBs贡献约10%（~2×10³⁸ erg s⁻¹）。
• LMXBs的光度函数呈幂律分布，斜率为1.27，且在~2.7×10³⁸ erg s⁻¹处存在截断；HMXBs的斜率更平缓，为1.64，且在~10³⁶ erg s⁻¹以上未检测到显著截断。
• HMXBs的Log(N)–Log(S)分布可用幂律描述，微分斜率为1.61±0.12，下限至~6.4×10⁻¹¹ erg s⁻¹ cm⁻²；LMXBs的斜率为-1.2±0.06，且在~3.5×10⁻⁸ erg s⁻¹ cm⁻²处存在高通量截断。
• 光度高于2×10³⁵ erg s⁻¹的X射线双星总数约为190个，其中约135个为LMXBs，约55个为HMXBs；外推至10³⁴ erg s⁻¹时，总数约为705个（LMXBs约325个，HMXBs约380个），受空间分布不确定性影响，误差约2倍。
• 银河系中至少有16个源表现出超爱丁顿光度，超过1.4 M⊙中子星的爱丁顿极限，其分布已在银河系各投影中绘制。
• 银河系的总光度主要由约5–10颗最亮X射线双星主导；这些源的变异性或爆发可使总光度增加约2倍。