XTE J1550–564 2001年“迷你爆发”的X射线能谱研究

　　摘要 黑洞X射线暂现源的迷你爆发是一类峰值光度较低、持续时间较短的爆发. 由于观测数据较少, 其物理机制仍不清楚. 利用RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer)卫星从2001年1月28日到3月14日的数据, 研究了黑洞X射线暂现源XTE J1550–564 2001年迷你爆发的X射线能谱特性. 发现在本次迷你爆发中, XTE J1550–564的X射线能谱可以用幂律谱很好地拟合. 整个爆发的硬度强度图不是标准的q型, 而是一直保持在最右侧. 此外, 还分析了此次爆发谱指数Γ与未吸收的2–10 keV能段的X射线流量F2–10 keV的相关性, 发现Γ-F2–10 keV呈反相关关系, 且谱指数Γ ∈ [1.35, 1.72]. 上述结果表明2001年这次爆发一直处于低/硬态, 它的X射线辐射主要来自于辐射低效的吸积模式, 如ADAF (Advection-Dominated Accretion Flow).

　　本文源自葛康;董爱军;刘畅;支启军;， 天文学报 发表时间：2021-07-26

　　关键词 恒星: 黑洞, X射线: 个别: XTE J1550–564, 黑洞物理, 吸积

　　1 引言

　　黑洞X射线双星多为暂现源, 根据能谱特性可以将它的能谱分为4个主要谱态[1–3]: 宁静态(Quiescent State, QS)、低/硬态(Low/Hard State, LHS)、中间态(Intermediate State, IMS)和高/软态(High/Soft State, HSS). 一般情况下, 黑洞X射线双星处于宁静态, 随着物质在吸积盘的堆积, 黑洞X射线双星将发生爆发. 爆发的开始和结束阶段是低/硬态, 此时光度较低, 能谱较硬(1.5 < Γ < 2.0), X射线能谱以幂律成分为主. 随着光度增加, 黑洞X射线双星将进入高/软态, 此时光度很高, 光度变化较小, 能谱较软(Γ > 2.0), X射线能谱以黑体辐射为主. 低/硬态与高/软态之间是中间态, 中间态X射线能谱的盘成分和幂律成分都很强. 根据两个成分比重的不同, 中间态可分为硬中间态和软中间态. 正常爆发的光度一般大于1038 erg ·s −1 , 滞后效应(hysteresis)非常明显[4–5] , 爆发过程在硬度强度图中的演化轨迹像q型, 常被称为q型图[6–7] .

　　研究表明黑洞X射线双星的X射线谱指数Γ与X射线光度LX存在明显的相关性: 当其与爱丁顿光度的比值 LX LEdd小于某一临界值时, Γ与 LX LEdd呈反相关; 当 LX LEdd大于该临界值时, Γ与 LX LEdd呈正相关[8]. Qiao等[9]和Cao[10]研究了Γ与 LX LEdd呈正相关和反相关时的吸积模式, 发现呈反相关和正相关时吸积模式分别由辐射低效的吸积模式(如: ADAF (Advection-Dominated Accretion Flow))和辐射高效的吸积模式(如: SSD (ShakuraSunyaev Disk)-corona)主导.

　　然而, 有一类爆发的硬度强度图一般不是标准的q型图, 且爆发的峰值光度远小于标准爆发, 持续时间也比标准爆发更短, 通常把这类爆发称为“迷你爆发”(Minioutburst)[11]或失败的爆发(failed outburst)[12] . 这类X射线爆发一般开始于宁静态, 峰值光度约为1035–1037 erg ·s −1[4] , 它们有些总保持在低/硬态[13] , 有些到达中间态就直接回到低/硬态[7, 14–15] . 在黑洞X射线双星(如: GX 339–4[16–18]、H1743–322[19–20]、 GRO J0422+32[21]和XTE J1650–500[22])、中子星低质量X射线双星(如: SAX J1808.4– 3658[23])以及WZ Sge型矮新星[24]中都观测到了迷你爆发. 目前, 迷你爆发的物理机制仍不清楚. 不同的吸积系统中都观测到了相似的迷你爆发, 暗示迷你爆发可能与吸积率有关, 而与中心致密天体类型无关[25] .

　　XTE J1550–564是低质量的黑洞X射线双星[12] . 其中心黑洞质量MBH = 9.1 ± 0.6 M⊙, 距离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)首次发现, 这是一次光度相当高的爆发, 在爆发两周内X射线流量(2–10 keV)就急剧增加到6.8 Crab (Crab表示蟹状星云在相应能段的流量), 爆发过程中表现出了不规则的光变曲线、谱态跃迁和准周期振荡[28–31] . 此后XTE J1550–564又经历了4次爆发, 包括2000年的完整爆发[32]以及2001年、2002年[33]和2003年[12]的3次迷你爆发. 由于观测数据较少、光度较低, 2001年的迷你爆发研究较少. 本文的主要目的是通过2001年的迷你爆发与2000年的正常爆发的对比, 分析研究迷你爆发的能谱特性及其内在的物理机制. 文章结构如下: 第2节简单介绍了数据处理, 第3节是结果, 第4节是总结与讨论.

　　2 数据处理

　　为了研究黑洞X射线双星XTE J1550–564在2001年迷你爆发的X射线能谱特性, 本文处理与分析了XTE J1550–564 2001年1月28日至3月14日的PCA (Proportional Counter Array)数据, 共计32个观测点, 约48.5 ks. 此外, 本文还处理了2000年4月10日至6月12日的正常爆发, 共计47个观测点, 约92.7 ks, 用于与2001年的迷你爆发进行对比. 表1和表2分别显示了XTE J1550–564在2000年和2001年两次爆发的基本情况, 从左至右分别为: 观测号(Obs. Id)、观测日期、观测时间、曝光时间(Exp)、PCA计数率和硬度比(Hardness Ratio, HR). 其中计数率的能段取PCA的有效能段(2–60 keV), HR为 5–12 keV能段与3–5 keV能段的计数率之比.

　　使用Heasoft 6.25软件, 根据RXTE cook book天文观测数据处理的标准步骤对X射线数据进行处理. 在X射线能谱提取时, 仅使用标准2数据中的PCU (Proportional Counter Unit) 2数据[34] , 其固有时间分辨率为16 s. 使用saextrct命令提取能谱. 使用pcabackest命令生成背景谱并在数据中去掉背景, 生成背景谱时需根据亮度情况选择最新的PCA背景模型(faint or bright). 使用pcarsp命令生成PCA响应矩阵. 系统误差在20通道之前和20通道之后分别取为0.8%和0.4%[35] . 利用Xspec 12.10.1能谱分析软件, 选取了3–25 keV (4–52通道)的能谱进行分析. 本文主要目的是获得硬X射线能谱指数和未吸收的X射线流量, 所以使用尽量简单的模型. 首先采用幂律成分(powerlaw)和吸收成分(phabs)进行拟合, 其中氢柱密度固定为NH = 0.32 × 1022 cm−2[28] . 若拟合效果较差(卡方值χ 2 > 1.5), 将引入高斯成分(gaussian)和盘成分(diskbb), 并通过F检验判断是否引入新的成分. 表3和表4分别列出了XTE J1550–564在2000年和2001年两次爆发的拟合情况, 从左至右分别是: 观测号、未吸收的2–10 keV能段的X射线流量Ftotal及其中幂律成分的流量Fpow、谱指数Γ、拟合结果的卡方值χ 2与拟合模型, 拟合模型中的pow和gau分别表示幂律和高斯成分.

　　3 结果

　　从表1可以看出2000年的正常爆发在4月28日时计数率达到峰值为2053 cts·s −1 , 0.54 < HR < 1.91. 同样, 从表2可以看出2001年的迷你爆发在2月10日时计数率达到峰值为122.3 cts·s −1 , 1.74 < HR < 2.27.

　　从表3可以看出2000年的正常爆发中, Ftotal的峰值为2217.07 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 (LX ∼ 4.3%LEdd), 谱指数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为主; Ftotal 6 141.00 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 , 模型主要以gaussian+powerlaw或powerlaw为主. 同样, 表4可以看出2001年的迷你爆发中, Ftotal的峰值为84.21 × 10−11 erg ·s −1 · cm−2 (LX ∼ 0.16%LEdd), 谱指数Γ ∼ 1.35–1.72, χ 2 6 1.50. 模型主要以gaussian+powerlaw或powerlaw为主.

　　图1是XTE J1550–564在2000年与2001年两次爆发的硬度强度图. 箭头表示硬度强度图的演化方向. 从图中可以看出两次爆发的硬度强度图显示出明显差异. 2000年的正常爆发(灰色)经历了LHS-IMS-HSS-IMS-LHS的状态转变, 呈现出标准的q型. 最右侧时 HR ∼ 1.7–1.9. PCU计数率约为800 cts·s −1时逐渐变软. 高/软态时PCU计数率较稳定, HR ∼ 0.6. 高/软态之后, 经过反向中间态又回到了低/硬态, 滞后效应较明显. 2001年的迷你爆发(黑色)不是标准的q型, 而是一直处于硬度强度图右下侧. 此次迷你爆发没有体现出滞后效应, PCU峰值计数率较低, 约为120 cts·s −1 . 其中计数率上升阶段HR ∼ 2.2, 下降阶段HR ∼ 1.8–2.1.

　　图2 (a)比较了XTE J1550–564在2000年与2001年两次爆发的光变曲线, 从图中可以看出两次爆发的时间间隔约为230 d. 2000年的爆发在MJD = 51662 (4月28日)时PCU计数率达到峰值为2053 cts·s −1 (见表1). 2001年的迷你爆发在MJD = 51950 (2月10日)时 PCU计数率达到峰值为122.3 cts·s −1 (见表2), 约为2000年标准爆发峰值的6.0%. 图2 (a)中子图显示了2001年爆发的光变曲线, 从子图中可以看出2001年的迷你爆发, 计数率上升过程中观测到的数据较少. A、B、C和D点的能谱和残差如图3所示. 图2 (b)与图2 (c)比较了能谱中幂律成分和盘成分的流量占总流量的演化. 对比图2 (b)与图2 (c)可以看出, 2000年的正常爆发开始最初, 能谱是以幂律成分为主. 随着光度的上升, 幂律成分逐渐减小, 盘成分逐渐增加. 盘成分达到最高时, 光度不是峰值光度, 而是处于衰减初期. 之后, 随着光度降低, 幂律成分又开始增加, 盘成分逐渐降低, 最终盘成分消失, 仅存在幂律成分. 而2001年的迷你爆发没有发现盘成分, 始终都是以幂律成分为主.

　　图3给出了图2 (a)中A、B、C、D 4点的能谱和残差, 其中A点处于计数率上升阶段, B点处于计数率峰值时期, C点和D点处于计数率衰减阶段. A、B、C 3点的X射线能谱拟合选用的是gaussian+powerlaw模型, D点的X射线能谱拟合选用的是powerlaw模型(见表4第6列). 从图3可以看出A、B、C、D 4点的X射线能谱拟合得都很好, 残差点均匀地落在水平的带状区域中, 波动范围也基本保持稳定. 表明2001年的迷你爆发中, X射线能谱拟合选用的模型较合适.

　　图4给出了XTE J1550–564在2001年迷你爆发的Γ-F2–10 keV关系. 从图中可以看出此次迷你爆发Γ-F2–10 keV呈反相关关系, 这种反相关关系在计数率下降过程中(空心三角形)显得尤为明显. 图中还可看出在计数率上升期间(实心圆), 这种相关性显得较平缓. 此次迷你爆发的最高光度LX ∼ 0.16%LEdd, 由于没有发现明显的正相关关系, 所以无法判断是否已到达从反相关向正相关转变的临界值.

　　4 总结与讨论

　　4.1 XTE J1550–564 2000年与2001年的爆发对比

　　本文比较了XTE J1550–564分别在2000年与2001年的爆发, 发现在硬度强度图中, 2000年的正常爆发是典型的q型, 而2001年的迷你爆发一直在最右侧(HR ∼ 1.74–2.27). 根据能态的划分[36] , 可看出2000年的正常爆发达到了高/软态, 而2001年的迷你爆发一直保持在低/硬态. 根据黑洞X射线双星能谱性质与吸积率的相关性[3, 37–38], 2001年的迷你爆发吸积率可能很低.

　　2000年的正常爆发中, 峰值计数率为2053 cts·s −1 , X射线能谱出现了幂律谱与黑体谱. 而2001年的迷你爆发中峰值计数率只有122.3 cts·s −1 , 约为2000年的6.0%, X射线能谱可以用powerlaw与gaussian+powerlaw拟合得很好(见表4第5、6列), 且Γ ∼ 1.35– 1.72 (见表4第4列). 此次迷你爆发中, Γ − F2–10 keV呈反相关关系, X射线峰值光度LX ∼ 0.16%LEdd. 这表明XTE J1550–564 2001年的迷你爆发光度较低, X射线能谱可以用幂律谱拟合得很好, 此次迷你爆发的X射线辐射主要来自于辐射低效的吸积模式(如: ADAF)[9–10] .

　　4.2 XTE J1550–564与其他黑洞迷你爆发对比

　　由于2001年的迷你爆发与2000年的正常爆发间隔约为230 d, 所以推测这次迷你爆发发生在2000年正常爆发进入宁静态之后. 类似在其他的黑洞暂现源(如: GRS 1739–278[25]、H1743–322[7]、GRO J0422+32[21]、XTE J1650–500[22]和MAXI J1659– 1524[39])中观察到的情况. XTE J1550–564在2001年的迷你爆发中一直保持在低/硬态(如图1), 所以它与GRS 1739–278在2015年的两次迷你爆发以及H1743–322在2008年的迷你爆发不同. 因为GRS 1739–278在2015年的两次迷你爆发呈现了典型的能谱跃迁, H1743–322在2008年的迷你爆发进入了中间态. MAXI J1659–152和XTE J1650–500的迷你爆发特性与XTE J1550–564在2001年的迷你爆发很相似, 爆发整个过程它们都在硬度强度图的右下方, 与低/硬态一致. 在爆发期间, X射线能谱都由幂律谱主导. 所以推测XTE J1550–564在2001年的迷你爆发可能与MAXI J1659–152以及XTE J1650–500的迷你爆发相似. 它们可能与GRO J0422+32的迷你爆发一样, 由于吸积过程中吸积物质的质量突然增加产生了迷你爆发。

　　综上所述, XTE J1550–564在2001年的迷你爆发中, 光度较低、X射线能谱较硬、且一直在低/硬态, X射线辐射主要来自于辐射低效的吸积模型(如: ADAF), 此次迷你爆发可能和GRO J0422+32在1993年8月的爆发类似, 都是由离散的吸积率造成的[12, 40] .