XTE J1550–564 2001年“迷你爆發”的X射線能譜研究

　　摘要 黑洞X射線暫現源的迷你爆發是一類峰值光度較低、持續時間較短的爆發. 由于觀測數據較少, 其物理機制仍不清楚. 利用RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer)衛星從2001年1月28日到3月14日的數據, 研究了黑洞X射線暫現源XTE J1550–564 2001年迷你爆發的X射線能譜特性. 發現在本次迷你爆發中, XTE J1550–564的X射線能譜可以用冪律譜很好地擬合. 整個爆發的硬度強度圖不是標準的q型, 而是一直保持在最右側. 此外, 還分析了此次爆發譜指數Γ與未吸收的2–10 keV能段的X射線流量F2–10 keV的相關性, 發現Γ-F2–10 keV呈反相關關系, 且譜指數Γ ∈ [1.35, 1.72]. 上述結果表明2001年這次爆發一直處于低/硬態, 它的X射線輻射主要來自于輻射低效的吸積模式, 如ADAF (Advection-Dominated Accretion Flow).

　　本文源自葛康;董愛軍;劉暢;支啟軍;， 天文學報 發表時間：2021-07-26

　　關鍵詞 恒星: 黑洞, X射線: 個別: XTE J1550–564, 黑洞物理, 吸積

　　1 引言

　　黑洞X射線雙星多為暫現源, 根據能譜特性可以將它的能譜分為4個主要譜態[1–3]: 寧靜態(Quiescent State, QS)、低/硬態(Low/Hard State, LHS)、中間態(Intermediate State, IMS)和高/軟態(High/Soft State, HSS). 一般情況下, 黑洞X射線雙星處于寧靜態, 隨著物質在吸積盤的堆積, 黑洞X射線雙星將發生爆發. 爆發的開始和結束階段是低/硬態, 此時光度較低, 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射線雙星將進入高/軟態, 此時光度很高, 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/硬態與高/軟態之間是中間態, 中間態X射線能譜的盤成分和冪律成分都很強. 根據兩個成分比重的不同, 中間態可分為硬中間態和軟中間態. 正常爆發的光度一般大于1038 erg ·s −1 , 滯后效應(hysteresis)非常明顯[4–5] , 爆發過程在硬度強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Γ與X射線光度LX存在明顯的相關性: 當其與愛丁頓光度的比值 LX LEdd小于某一臨界值時, Γ與 LX LEdd呈反相關; 當 LX LEdd大于該臨界值時, Γ與 LX LEdd呈正相關[8]. Qiao等[9]和Cao[10]研究了Γ與 LX LEdd呈正相關和反相關時的吸積模式, 發現呈反相關和正相關時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.

　　然而, 有一類爆發的硬度強度圖一般不是標準的q型圖, 且爆發的峰值光度遠小于標準爆發, 持續時間也比標準爆發更短, 通常把這類爆發稱為“迷你爆發”(Minioutburst)[11]或失敗的爆發(failed outburst)[12] . 這類X射線爆發一般開始于寧靜態, 峰值光度約為1035–1037 erg ·s −1[4] , 它們有些總保持在低/硬態[13] , 有些到達中間態就直接回到低/硬態[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]中都觀測到了迷你爆發. 目前, 迷你爆發的物理機制仍不清楚. 不同的吸積系統中都觀測到了相似的迷你爆發, 暗示迷你爆發可能與吸積率有關, 而與中心致密天體類型無關[25] .

　　XTE J1550–564是低質量的黑洞X射線雙星[12] . 其中心黑洞質量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)首次發現, 這是一次光度相當高的爆發, 在爆發兩周內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能段的流量), 爆發過程中表現出了不規則的光變曲線、譜態躍遷和準周期振蕩[28–31] . 此后XTE J1550–564又經歷了4次爆發, 包括2000年的完整爆發[32]以及2001年、2002年[33]和2003年[12]的3次迷你爆發. 由于觀測數據較少、光度較低, 2001年的迷你爆發研究較少. 本文的主要目的是通過2001年的迷你爆發與2000年的正常爆發的對比, 分析研究迷你爆發的能譜特性及其內在的物理機制. 文章結構如下: 第2節簡單介紹了數據處理, 第3節是結果, 第4節是總結與討論.

　　2 數據處理

　　為了研究黑洞X射線雙星XTE J1550–564在2001年迷你爆發的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)數據, 共計32個觀測點, 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, 共計47個觀測點, 約92.7 ks, 用于與2001年的迷你爆發進行對比. 表1和表2分別顯示了XTE J1550–564在2000年和2001年兩次爆發的基本情況, 從左至右分別為: 觀測號(Obs. Id)、觀測日期、觀測時間、曝光時間(Exp)、PCA計數率和硬度比(Hardness Ratio, HR). 其中計數率的能段取PCA的有效能段(2–60 keV), HR為 5–12 keV能段與3–5 keV能段的計數率之比.

　　使用Heasoft 6.25軟件, 根據RXTE cook book天文觀測數據處理的標準步驟對X射線數據進行處理. 在X射線能譜提取時, 僅使用標準2數據中的PCU (Proportional Counter Unit) 2數據[34] , 其固有時間分辨率為16 s. 使用saextrct命令提取能譜. 使用pcabackest命令生成背景譜并在數據中去掉背景, 生成背景譜時需根據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響應矩陣. 系統誤差在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)的能譜進行分析. 本文主要目的是獲得硬X射線能譜指數和未吸收的X射線流量, 所以使用盡量簡單的模型. 首先采用冪律成分(powerlaw)和吸收成分(phabs)進行擬合, 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)和盤成分(diskbb), 并通過F檢驗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年兩次爆發的擬合情況, 從左至右分別是: 觀測號、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Γ、擬合結果的卡方值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 結果

　　從表1可以看出2000年的正常爆發在4月28日時計數率達到峰值為2053 cts·s −1 , 0.54 < HR < 1.91. 同樣, 從表2可以看出2001年的迷你爆發在2月10日時計數率達到峰值為122.3 cts·s −1 , 1.74 < HR < 2.27.

　　從表3可以看出2000年的正常爆發中, Ftotal的峰值為2217.07 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 (LX ∼ 4.3%LEdd), 譜指數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年的迷你爆發中, Ftotal的峰值為84.21 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 (LX ∼ 0.16%LEdd), 譜指數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年兩次爆發的硬度強度圖. 箭頭表示硬度強度圖的演化方向. 從圖中可以看出兩次爆發的硬度強度圖顯示出明顯差異. 2000年的正常爆發(灰色)經歷了LHS-IMS-HSS-IMS-LHS的狀態轉變, 呈現出標準的q型. 最右側時 HR ∼ 1.7–1.9. PCU計數率約為800 cts·s −1時逐漸變軟. 高/軟態時PCU計數率較穩定, HR ∼ 0.6. 高/軟態之后, 經過反向中間態又回到了低/硬態, 滯后效應較明顯. 2001年的迷你爆發(黑色)不是標準的q型, 而是一直處于硬度強度圖右下側. 此次迷你爆發沒有體現出滯后效應, PCU峰值計數率較低, 約為120 cts·s −1 . 其中計數率上升階段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年兩次爆發的光變曲線, 從圖中可以看出兩次爆發的時間間隔約為230 d. 2000年的爆發在MJD = 51662 (4月28日)時PCU計數率達到峰值為2053 cts·s −1 (見表1). 2001年的迷你爆發在MJD = 51950 (2月10日)時 PCU計數率達到峰值為122.3 cts·s −1 (見表2), 約為2000年標準爆發峰值的6.0%. 圖2 (a)中子圖顯示了2001年爆發的光變曲線, 從子圖中可以看出2001年的迷你爆發, 計數率上升過程中觀測到的數據較少. A、B、C和D點的能譜和殘差如圖3所示. 圖2 (b)與圖2 (c)比較了能譜中冪律成分和盤成分的流量占總流量的演化. 對比圖2 (b)與圖2 (c)可以看出, 2000年的正常爆發開始最初, 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, 盤成分逐漸增加. 盤成分達到最高時, 光度不是峰值光度, 而是處于衰減初期. 之后, 隨著光度降低, 冪律成分又開始增加, 盤成分逐漸降低, 最終盤成分消失, 僅存在冪律成分. 而2001年的迷你爆發沒有發現盤成分, 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點的能譜和殘差, 其中A點處于計數率上升階段, B點處于計數率峰值時期, C點和D點處于計數率衰減階段. A、B、C 3點的X射線能譜擬合選用的是gaussian+powerlaw模型, D點的X射線能譜擬合選用的是powerlaw模型(見表4第6列). 從圖3可以看出A、B、C、D 4點的X射線能譜擬合得都很好, 殘差點均勻地落在水平的帶狀區域中, 波動范圍也基本保持穩定. 表明2001年的迷你爆發中, 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年迷你爆發的Γ-F2–10 keV關系. 從圖中可以看出此次迷你爆發Γ-F2–10 keV呈反相關關系, 這種反相關關系在計數率下降過程中(空心三角形)顯得尤為明顯. 圖中還可看出在計數率上升期間(實心圓), 這種相關性顯得較平緩. 此次迷你爆發的最高光度LX ∼ 0.16%LEdd, 由于沒有發現明顯的正相關關系, 所以無法判斷是否已到達從反相關向正相關轉變的臨界值.

　　4 總結與討論

　　4.1 XTE J1550–564 2000年與2001年的爆發對比

　　本文比較了XTE J1550–564分別在2000年與2001年的爆發, 發現在硬度強度圖中, 2000年的正常爆發是典型的q型, 而2001年的迷你爆發一直在最右側(HR ∼ 1.74–2.27). 根據能態的劃分[36] , 可看出2000年的正常爆發達到了高/軟態, 而2001年的迷你爆發一直保持在低/硬態. 根據黑洞X射線雙星能譜性質與吸積率的相關性[3, 37–38], 2001年的迷你爆發吸積率可能很低.

　　2000年的正常爆發中, 峰值計數率為2053 cts·s −1 , X射線能譜出現了冪律譜與黑體譜. 而2001年的迷你爆發中峰值計數率只有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(見表4第5、6列), 且Γ ∼ 1.35– 1.72 (見表4第4列). 此次迷你爆發中, Γ − F2–10 keV呈反相關關系, 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, 此次迷你爆發的X射線輻射主要來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對比

　　由于2001年的迷你爆發與2000年的正常爆發間隔約為230 d, 所以推測這次迷你爆發發生在2000年正常爆發進入寧靜態之后. 類似在其他的黑洞暫現源(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年的迷你爆發中一直保持在低/硬態(如圖1), 所以它與GRS 1739–278在2015年的兩次迷你爆發以及H1743–322在2008年的迷你爆發不同. 因為GRS 1739–278在2015年的兩次迷你爆發呈現了典型的能譜躍遷, H1743–322在2008年的迷你爆發進入了中間態. MAXI J1659–152和XTE J1650–500的迷你爆發特性與XTE J1550–564在2001年的迷你爆發很相似, 爆發整個過程它們都在硬度強度圖的右下方, 與低/硬態一致. 在爆發期間, X射線能譜都由冪律譜主導. 所以推測XTE J1550–564在2001年的迷你爆發可能與MAXI J1659–152以及XTE J1650–500的迷你爆發相似. 它們可能與GRO J0422+32的迷你爆發一樣, 由于吸積過程中吸積物質的質量突然增加產生了迷你爆發。

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