XTE J1550–564 2001年“迷你爆發(fā)”的X射線能譜研究

　　摘要 黑洞X射線暫現(xiàn)源的迷你爆發(fā)是一類峰值光度較低、持續(xù)時(shí)間較短的爆發(fā). 由于觀測(cè)數(shù)據(jù)較少, 其物理機(jī)制仍不清楚. 利用RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer)衛(wèi)星從2001年1月28日到3月14日的數(shù)據(jù), 研究了黑洞X射線暫現(xiàn)源XTE J1550–564 2001年迷你爆發(fā)的X射線能譜特性. 發(fā)現(xiàn)在本次迷你爆發(fā)中, XTE J1550–564的X射線能譜可以用冪律譜很好地?cái)M合. 整個(gè)爆發(fā)的硬度強(qiáng)度圖不是標(biāo)準(zhǔn)的q型, 而是一直保持在最右側(cè). 此外, 還分析了此次爆發(fā)譜指數(shù)Γ與未吸收的2–10 keV能段的X射線流量F2–10 keV的相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)Γ-F2–10 keV呈反相關(guān)關(guān)系, 且譜指數(shù)Γ ∈ [1.35, 1.72]. 上述結(jié)果表明2001年這次爆發(fā)一直處于低/硬態(tài), 它的X射線輻射主要來(lái)自于輻射低效的吸積模式, 如ADAF (Advection-Dominated Accretion Flow).

　　本文源自葛康;董愛(ài)軍;劉暢;支啟軍;， 天文學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-07-26

　　關(guān)鍵詞 恒星: 黑洞, X射線: 個(gè)別: XTE J1550–564, 黑洞物理, 吸積

　　1 引言

　　黑洞X射線雙星多為暫現(xiàn)源, 根據(jù)能譜特性可以將它的能譜分為4個(gè)主要譜態(tài)[1–3]: 寧?kù)o態(tài)(Quiescent State, QS)、低/硬態(tài)(Low/Hard State, LHS)、中間態(tài)(Intermediate State, IMS)和高/軟態(tài)(High/Soft State, HSS). 一般情況下, 黑洞X射線雙星處于寧?kù)o態(tài), 隨著物質(zhì)在吸積盤(pán)的堆積, 黑洞X射線雙星將發(fā)生爆發(fā). 爆發(fā)的開(kāi)始和結(jié)束階段是低/硬態(tài), 此時(shí)光度較低, 能譜較硬(1.5 < Γ < 2.0), X射線能譜以冪律成分為主. 隨著光度增加, 黑洞X射線雙星將進(jìn)入高/軟態(tài), 此時(shí)光度很高, 光度變化較小, 能譜較軟(Γ > 2.0), X射線能譜以黑體輻射為主. 低/硬態(tài)與高/軟態(tài)之間是中間態(tài), 中間態(tài)X射線能譜的盤(pán)成分和冪律成分都很強(qiáng). 根據(jù)兩個(gè)成分比重的不同, 中間態(tài)可分為硬中間態(tài)和軟中間態(tài). 正常爆發(fā)的光度一般大于1038 erg ·s −1 , 滯后效應(yīng)(hysteresis)非常明顯[4–5] , 爆發(fā)過(guò)程在硬度強(qiáng)度圖中的演化軌跡像q型, 常被稱為q型圖[6–7] .

　　研究表明黑洞X射線雙星的X射線譜指數(shù)Γ與X射線光度LX存在明顯的相關(guān)性: 當(dāng)其與愛(ài)丁頓光度的比值 LX LEdd小于某一臨界值時(shí), Γ與 LX LEdd呈反相關(guān); 當(dāng) LX LEdd大于該臨界值時(shí), Γ與 LX LEdd呈正相關(guān)[8]. Qiao等[9]和Cao[10]研究了Γ與 LX LEdd呈正相關(guān)和反相關(guān)時(shí)的吸積模式, 發(fā)現(xiàn)呈反相關(guān)和正相關(guān)時(shí)吸積模式分別由輻射低效的吸積模式(如: ADAF (Advection-Dominated Accretion Flow))和輻射高效的吸積模式(如: SSD (ShakuraSunyaev Disk)-corona)主導(dǎo).

　　然而, 有一類爆發(fā)的硬度強(qiáng)度圖一般不是標(biāo)準(zhǔn)的q型圖, 且爆發(fā)的峰值光度遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)爆發(fā), 持續(xù)時(shí)間也比標(biāo)準(zhǔn)爆發(fā)更短, 通常把這類爆發(fā)稱為“迷你爆發(fā)”(Minioutburst)[11]或失敗的爆發(fā)(failed outburst)[12] . 這類X射線爆發(fā)一般開(kāi)始于寧?kù)o態(tài), 峰值光度約為1035–1037 erg ·s −1[4] , 它們有些總保持在低/硬態(tài)[13] , 有些到達(dá)中間態(tài)就直接回到低/硬態(tài)[7, 14–15] . 在黑洞X射線雙星(如: GX 339–4[16–18]、H1743–322[19–20]、 GRO J0422+32[21]和XTE J1650–500[22])、中子星低質(zhì)量X射線雙星(如: SAX J1808.4– 3658[23])以及WZ Sge型矮新星[24]中都觀測(cè)到了迷你爆發(fā). 目前, 迷你爆發(fā)的物理機(jī)制仍不清楚. 不同的吸積系統(tǒng)中都觀測(cè)到了相似的迷你爆發(fā), 暗示迷你爆發(fā)可能與吸積率有關(guān), 而與中心致密天體類型無(wú)關(guān)[25] .

　　XTE J1550–564是低質(zhì)量的黑洞X射線雙星[12] . 其中心黑洞質(zhì)量MBH = 9.1 ± 0.6 M⊙, 距離D = 4.4 +0.6 −0.4 kpc[26–27] . 它于1998年9月6日被RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer)首次發(fā)現(xiàn), 這是一次光度相當(dāng)高的爆發(fā), 在爆發(fā)兩周內(nèi)X射線流量(2–10 keV)就急劇增加到6.8 Crab (Crab表示蟹狀星云在相應(yīng)能段的流量), 爆發(fā)過(guò)程中表現(xiàn)出了不規(guī)則的光變曲線、譜態(tài)躍遷和準(zhǔn)周期振蕩[28–31] . 此后XTE J1550–564又經(jīng)歷了4次爆發(fā), 包括2000年的完整爆發(fā)[32]以及2001年、2002年[33]和2003年[12]的3次迷你爆發(fā). 由于觀測(cè)數(shù)據(jù)較少、光度較低, 2001年的迷你爆發(fā)研究較少. 本文的主要目的是通過(guò)2001年的迷你爆發(fā)與2000年的正常爆發(fā)的對(duì)比, 分析研究迷你爆發(fā)的能譜特性及其內(nèi)在的物理機(jī)制. 文章結(jié)構(gòu)如下: 第2節(jié)簡(jiǎn)單介紹了數(shù)據(jù)處理, 第3節(jié)是結(jié)果, 第4節(jié)是總結(jié)與討論.

　　2 數(shù)據(jù)處理

　　為了研究黑洞X射線雙星XTE J1550–564在2001年迷你爆發(fā)的X射線能譜特性, 本文處理與分析了XTE J1550–564 2001年1月28日至3月14日的PCA (Proportional Counter Array)數(shù)據(jù), 共計(jì)32個(gè)觀測(cè)點(diǎn), 約48.5 ks. 此外, 本文還處理了2000年4月10日至6月12日的正常爆發(fā), 共計(jì)47個(gè)觀測(cè)點(diǎn), 約92.7 ks, 用于與2001年的迷你爆發(fā)進(jìn)行對(duì)比. 表1和表2分別顯示了XTE J1550–564在2000年和2001年兩次爆發(fā)的基本情況, 從左至右分別為: 觀測(cè)號(hào)(Obs. Id)、觀測(cè)日期、觀測(cè)時(shí)間、曝光時(shí)間(Exp)、PCA計(jì)數(shù)率和硬度比(Hardness Ratio, HR). 其中計(jì)數(shù)率的能段取PCA的有效能段(2–60 keV), HR為 5–12 keV能段與3–5 keV能段的計(jì)數(shù)率之比.

　　使用Heasoft 6.25軟件, 根據(jù)RXTE cook book天文觀測(cè)數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)步驟對(duì)X射線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 在X射線能譜提取時(shí), 僅使用標(biāo)準(zhǔn)2數(shù)據(jù)中的PCU (Proportional Counter Unit) 2數(shù)據(jù)[34] , 其固有時(shí)間分辨率為16 s. 使用saextrct命令提取能譜. 使用pcabackest命令生成背景譜并在數(shù)據(jù)中去掉背景, 生成背景譜時(shí)需根據(jù)亮度情況選擇最新的PCA背景模型(faint or bright). 使用pcarsp命令生成PCA響應(yīng)矩陣. 系統(tǒng)誤差在20通道之前和20通道之后分別取為0.8%和0.4%[35] . 利用Xspec 12.10.1能譜分析軟件, 選取了3–25 keV (4–52通道)的能譜進(jìn)行分析. 本文主要目的是獲得硬X射線能譜指數(shù)和未吸收的X射線流量, 所以使用盡量簡(jiǎn)單的模型. 首先采用冪律成分(powerlaw)和吸收成分(phabs)進(jìn)行擬合, 其中氫柱密度固定為NH = 0.32 × 1022 cm−2[28] . 若擬合效果較差(卡方值χ 2 > 1.5), 將引入高斯成分(gaussian)和盤(pán)成分(diskbb), 并通過(guò)F檢驗(yàn)判斷是否引入新的成分. 表3和表4分別列出了XTE J1550–564在2000年和2001年兩次爆發(fā)的擬合情況, 從左至右分別是: 觀測(cè)號(hào)、未吸收的2–10 keV能段的X射線流量Ftotal及其中冪律成分的流量Fpow、譜指數(shù)Γ、擬合結(jié)果的卡方值χ 2與擬合模型, 擬合模型中的pow和gau分別表示冪律和高斯成分.

　　3 結(jié)果

　　從表1可以看出2000年的正常爆發(fā)在4月28日時(shí)計(jì)數(shù)率達(dá)到峰值為2053 cts·s −1 , 0.54 < HR < 1.91. 同樣, 從表2可以看出2001年的迷你爆發(fā)在2月10日時(shí)計(jì)數(shù)率達(dá)到峰值為122.3 cts·s −1 , 1.74 < HR < 2.27.

　　從表3可以看出2000年的正常爆發(fā)中, Ftotal的峰值為2217.07 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 (LX ∼ 4.3%LEdd), 譜指數(shù)Γ ∼ 1.42–2.22, χ 2 6 1.41. Ftotal > 160.04 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 , 模型主要以diskbb+gaussian+powerlaw為主; Ftotal 6 141.00 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 , 模型主要以gaussian+powerlaw或powerlaw為主. 同樣, 表4可以看出2001年的迷你爆發(fā)中, Ftotal的峰值為84.21 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 (LX ∼ 0.16%LEdd), 譜指數(shù)Γ ∼ 1.35–1.72, χ 2 6 1.50. 模型主要以gaussian+powerlaw或powerlaw為主.

　　圖1是XTE J1550–564在2000年與2001年兩次爆發(fā)的硬度強(qiáng)度圖. 箭頭表示硬度強(qiáng)度圖的演化方向. 從圖中可以看出兩次爆發(fā)的硬度強(qiáng)度圖顯示出明顯差異. 2000年的正常爆發(fā)(灰色)經(jīng)歷了LHS-IMS-HSS-IMS-LHS的狀態(tài)轉(zhuǎn)變, 呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的q型. 最右側(cè)時(shí) HR ∼ 1.7–1.9. PCU計(jì)數(shù)率約為800 cts·s −1時(shí)逐漸變軟. 高/軟態(tài)時(shí)PCU計(jì)數(shù)率較穩(wěn)定, HR ∼ 0.6. 高/軟態(tài)之后, 經(jīng)過(guò)反向中間態(tài)又回到了低/硬態(tài), 滯后效應(yīng)較明顯. 2001年的迷你爆發(fā)(黑色)不是標(biāo)準(zhǔn)的q型, 而是一直處于硬度強(qiáng)度圖右下側(cè). 此次迷你爆發(fā)沒(méi)有體現(xiàn)出滯后效應(yīng), PCU峰值計(jì)數(shù)率較低, 約為120 cts·s −1 . 其中計(jì)數(shù)率上升階段HR ∼ 2.2, 下降階段HR ∼ 1.8–2.1.

　　圖2 (a)比較了XTE J1550–564在2000年與2001年兩次爆發(fā)的光變曲線, 從圖中可以看出兩次爆發(fā)的時(shí)間間隔約為230 d. 2000年的爆發(fā)在MJD = 51662 (4月28日)時(shí)PCU計(jì)數(shù)率達(dá)到峰值為2053 cts·s −1 (見(jiàn)表1). 2001年的迷你爆發(fā)在MJD = 51950 (2月10日)時(shí) PCU計(jì)數(shù)率達(dá)到峰值為122.3 cts·s −1 (見(jiàn)表2), 約為2000年標(biāo)準(zhǔn)爆發(fā)峰值的6.0%. 圖2 (a)中子圖顯示了2001年爆發(fā)的光變曲線, 從子圖中可以看出2001年的迷你爆發(fā), 計(jì)數(shù)率上升過(guò)程中觀測(cè)到的數(shù)據(jù)較少. A、B、C和D點(diǎn)的能譜和殘差如圖3所示. 圖2 (b)與圖2 (c)比較了能譜中冪律成分和盤(pán)成分的流量占總流量的演化. 對(duì)比圖2 (b)與圖2 (c)可以看出, 2000年的正常爆發(fā)開(kāi)始最初, 能譜是以冪律成分為主. 隨著光度的上升, 冪律成分逐漸減小, 盤(pán)成分逐漸增加. 盤(pán)成分達(dá)到最高時(shí), 光度不是峰值光度, 而是處于衰減初期. 之后, 隨著光度降低, 冪律成分又開(kāi)始增加, 盤(pán)成分逐漸降低, 最終盤(pán)成分消失, 僅存在冪律成分. 而2001年的迷你爆發(fā)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)盤(pán)成分, 始終都是以冪律成分為主.

　　圖3給出了圖2 (a)中A、B、C、D 4點(diǎn)的能譜和殘差, 其中A點(diǎn)處于計(jì)數(shù)率上升階段, B點(diǎn)處于計(jì)數(shù)率峰值時(shí)期, C點(diǎn)和D點(diǎn)處于計(jì)數(shù)率衰減階段. A、B、C 3點(diǎn)的X射線能譜擬合選用的是gaussian+powerlaw模型, D點(diǎn)的X射線能譜擬合選用的是powerlaw模型(見(jiàn)表4第6列). 從圖3可以看出A、B、C、D 4點(diǎn)的X射線能譜擬合得都很好, 殘差點(diǎn)均勻地落在水平的帶狀區(qū)域中, 波動(dòng)范圍也基本保持穩(wěn)定. 表明2001年的迷你爆發(fā)中, X射線能譜擬合選用的模型較合適.

　　圖4給出了XTE J1550–564在2001年迷你爆發(fā)的Γ-F2–10 keV關(guān)系. 從圖中可以看出此次迷你爆發(fā)Γ-F2–10 keV呈反相關(guān)關(guān)系, 這種反相關(guān)關(guān)系在計(jì)數(shù)率下降過(guò)程中(空心三角形)顯得尤為明顯. 圖中還可看出在計(jì)數(shù)率上升期間(實(shí)心圓), 這種相關(guān)性顯得較平緩. 此次迷你爆發(fā)的最高光度LX ∼ 0.16%LEdd, 由于沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系, 所以無(wú)法判斷是否已到達(dá)從反相關(guān)向正相關(guān)轉(zhuǎn)變的臨界值.

　　4 總結(jié)與討論

　　4.1 XTE J1550–564 2000年與2001年的爆發(fā)對(duì)比

　　本文比較了XTE J1550–564分別在2000年與2001年的爆發(fā), 發(fā)現(xiàn)在硬度強(qiáng)度圖中, 2000年的正常爆發(fā)是典型的q型, 而2001年的迷你爆發(fā)一直在最右側(cè)(HR ∼ 1.74–2.27). 根據(jù)能態(tài)的劃分[36] , 可看出2000年的正常爆發(fā)達(dá)到了高/軟態(tài), 而2001年的迷你爆發(fā)一直保持在低/硬態(tài). 根據(jù)黑洞X射線雙星能譜性質(zhì)與吸積率的相關(guān)性[3, 37–38], 2001年的迷你爆發(fā)吸積率可能很低.

　　2000年的正常爆發(fā)中, 峰值計(jì)數(shù)率為2053 cts·s −1 , X射線能譜出現(xiàn)了冪律譜與黑體譜. 而2001年的迷你爆發(fā)中峰值計(jì)數(shù)率只有122.3 cts·s −1 , 約為2000年的6.0%, X射線能譜可以用powerlaw與gaussian+powerlaw擬合得很好(見(jiàn)表4第5、6列), 且Γ ∼ 1.35– 1.72 (見(jiàn)表4第4列). 此次迷你爆發(fā)中, Γ − F2–10 keV呈反相關(guān)關(guān)系, X射線峰值光度LX ∼ 0.16%LEdd. 這表明XTE J1550–564 2001年的迷你爆發(fā)光度較低, X射線能譜可以用冪律譜擬合得很好, 此次迷你爆發(fā)的X射線輻射主要來(lái)自于輻射低效的吸積模式(如: ADAF)[9–10] .

　　4.2 XTE J1550–564與其他黑洞迷你爆發(fā)對(duì)比

　　由于2001年的迷你爆發(fā)與2000年的正常爆發(fā)間隔約為230 d, 所以推測(cè)這次迷你爆發(fā)發(fā)生在2000年正常爆發(fā)進(jìn)入寧?kù)o態(tài)之后. 類似在其他的黑洞暫現(xiàn)源(如: GRS 1739–278[25]、H1743–322[7]、GRO J0422+32[21]、XTE J1650–500[22]和MAXI J1659– 1524[39])中觀察到的情況. XTE J1550–564在2001年的迷你爆發(fā)中一直保持在低/硬態(tài)(如圖1), 所以它與GRS 1739–278在2015年的兩次迷你爆發(fā)以及H1743–322在2008年的迷你爆發(fā)不同. 因?yàn)镚RS 1739–278在2015年的兩次迷你爆發(fā)呈現(xiàn)了典型的能譜躍遷, H1743–322在2008年的迷你爆發(fā)進(jìn)入了中間態(tài). MAXI J1659–152和XTE J1650–500的迷你爆發(fā)特性與XTE J1550–564在2001年的迷你爆發(fā)很相似, 爆發(fā)整個(gè)過(guò)程它們都在硬度強(qiáng)度圖的右下方, 與低/硬態(tài)一致. 在爆發(fā)期間, X射線能譜都由冪律譜主導(dǎo). 所以推測(cè)XTE J1550–564在2001年的迷你爆發(fā)可能與MAXI J1659–152以及XTE J1650–500的迷你爆發(fā)相似. 它們可能與GRO J0422+32的迷你爆發(fā)一樣, 由于吸積過(guò)程中吸積物質(zhì)的質(zhì)量突然增加產(chǎn)生了迷你爆發(fā)。

　　綜上所述, XTE J1550–564在2001年的迷你爆發(fā)中, 光度較低、X射線能譜較硬、且一直在低/硬態(tài), X射線輻射主要來(lái)自于輻射低效的吸積模型(如: ADAF), 此次迷你爆發(fā)可能和GRO J0422+32在1993年8月的爆發(fā)類似, 都是由離散的吸積率造成的[12, 40] .