XTE J1550–564 2001年“迷你爆發(fā)”的X射線能譜研究?

葛 康 董愛軍 劉 暢 支啟軍

(1 貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院貴陽 550001)

(2 貴州師范大學(xué)貴州射電天文數(shù)據(jù)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室貴陽 550001)

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]:寧靜態(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射線雙星處于寧靜態(tài),隨著物質(zhì)在吸積盤的堆積,黑洞X射線雙星將發(fā)生爆發(fā).爆發(fā)的開始和結(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1038erg·s?1,滯后效應(yīng)(hysteresis)非常明顯[4–5],爆發(fā)過程在硬度強(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)其與愛丁頓光度的比值小于某一臨界值時(shí),Γ與呈反相關(guān);當(dāng)大于該臨界值時(shí),Γ與呈正相關(guān)[8].Qiao等[9]和Cao[10]研究了Γ與呈正相關(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 (Shakura-Sunyaev 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)一般開始于寧靜態(tài),峰值光度約為1035–1037erg·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±0.6M⊙,距離D=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2001年的迷你爆發(fā)與2000年的正常爆發(fā)的對比,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)觀測點(diǎn),約92.7 ks,用于與2001年的迷你爆發(fā)進(jìn)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(fā)的基本情況,從左至右分別為:觀測號(Obs.Id)、觀測日期、觀測時(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.

表1 XTE J1550–564在2000年爆發(fā)的觀測數(shù)據(jù)Table 1 Observational data of outburst of XTE J1550–564 in 2000

表1 續(xù)Table 1 Continued

表2 XTE J1550–564在2001年爆發(fā)的觀測數(shù)據(jù)Table 2 Observational data of outburst of XTE J1550–564 in 2001

使用Heasoft 6.25軟件,根據(jù)RXTE cook book天文觀測數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)步驟對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=0.32×1022cm?2[28].若擬合效果較差(卡方值χ2>1.5),將引入高斯成分(gaussian)和盤成分(diskbb),并通過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(shù)Γ、擬合結(jié)果的卡方值χ2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.

表3 XTE J1550–564在2000年爆發(fā)的擬合結(jié)果Table 3 The spectral fitting results of outburst of XTE J1550–564 in 2000

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

從表3可以看出2000年的正常爆發(fā)中,Ftotal的峰值為2217.07×10?11erg·s?1·cm?2(LX～4.3%LEdd),譜指數(shù)?！?.42–2.22,χ2≤1.41.Ftotal≥160.04×10?11erg·s?1·cm?2,模型主要以diskbb+gaussian+powerlaw為主;Ftotal≤141.00×10?11erg·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?11erg·s?1·cm?2(LX～0.16%LEdd),譜指數(shù)Γ～1.35–1.72,χ2≤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)率上升過程中觀測到的數(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(fā)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(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(fā)沒有發(fā)現(xiàn)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(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-F2–10keV關(guān)系.從圖中可以看出此次迷你爆發(fā)Γ-F2–10keV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,由于沒有發(fā)現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系,所以無法判斷是否已到達(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(見表4第5、6列),且?！?.35–1.72 (見表4第4列).此次迷你爆發(fā)中,Γ?F2–10keV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,所以推測這次迷你爆發(fā)發(fā)生在2000年正常爆發(fā)進(jìn)入寧靜態(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].