Sw ift/XRT对黑洞双星GS2023+338(V 404 Cyg)在2015年的爆发观测∗

付博文 陈玉鹏 张澍 纪龙 李剑

(1南京大学物理学院 南京 210093) (2中国科学院高能物理研究所 北京 100049) (3西班牙空间科学研究所Cerdanyola del Vall`es08193)

Sw ift/XRT对黑洞双星GS2023+338(V 404 Cyg)在2015年的爆发观测∗

付博文1,2†陈玉鹏2‡张澍2⋆纪龙2李剑3

(1南京大学物理学院 南京 210093) (2中国科学院高能物理研究所 北京 100049) (3西班牙空间科学研究所Cerdanyola del Vall`es08193)

在经历了26 yr的沉寂后,黑洞双星GS2023+338(V 404Cyg,简称V 404)在2015年6月再次爆发,并且在爆发末期,Sw ift上搭载的X射线望远镜(X-ray Telescope,简称Sw ift/ XRT)在光子计数(Photon Counting,简称PC)模式下首次观测到了奇特的同心圆环结构.主要通过分析Sw ift/XRT观测数据,对该圆环结构进行了能谱和时变分析,给出了圆环的能谱和流量等信息.在此基础上采用云团模型来解释观测到的圆环,并对圆环特性及其与爆发源之间的关联等性质给出了限制.

恒星:黑洞,X射线:双星,X射线:星际介质,X射线:爆发,星际介质:云团

1 引言

GS2023+338(V 404 Cyg)是一个黑洞双星系统,轨道周期为(6.473±0.001)d.V 404于1989年被Ginga卫星发现,当时其正处于爆发期间,爆发期间的亮度为6.5×10−7erg·cm−2·s−1(约27 Crab)[1].V 404系统的伴星为一个质量约为0.7 M⊙的K 3 III星[2], 1992年Casares等人通过质量函数推测系统中致密星质量至少为(6.26±0.31)M⊙,从而确认了其黑洞属性[3].2009年,M iller-Jones等根据视差计算出了V 404与地球间距离的精确值——(2.39±0.14)kpc[4].V 404的爆发有别于一般的黑洞双星,其亮度较高,爆发的能谱具有强烈的吸收,并且其光电吸收的柱密度有十分剧烈的变化.V 404的这些特点使得它成为一个非常有趣的研究黑洞X射线双星系统(X-ray binary,简称XRB)爆发演化的观测样本.

在经历了26 yr的沉寂后,2015年6月15日Sw ift/XRT探测器观测到了V 404再次爆发,并观测到了该源辐射中的同心环结构及其演化,随后触发了全球高能天文望远镜对该源的联合观测.目前已经报道的结果有:

对INTEGRAL(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)观测数据分析结果表明,在2015年6月20日15:50UTC到6月25日4:05UTC之间,V 404的光谱在可见光波段和软γ射线波段都表现出剧烈的变化.探测器在3 d中探测到了18次亮度超过6 Crab的爆发,这些爆发的最小峰间间隔短至约20m in.经分析发现流量超过6 Crab的爆发都具有较硬的能谱.对于爆发和非爆发的能谱在10–400 keV波段的分析表明射线强度的变化仅仅取决于截断幂律谱(cut-off power law)成分的变化[5].

对Chandra数据的分析发现了一条狭窄的Fe Kα线,其宽度在某些时刻超过1 keV,这意味着探测器并没有直接观测到中心源.对中心源的遮挡以及强又窄的发射谱线标志着外盘可能是发光的,其结构可能影响了V 404能谱的强烈变化.在流量最强时观测到了强烈的P-Cygni的轮廓以及具有极高动能的强烈盘风.

但是这些结果都是通过分析爆发源的能谱和时变得到的[6],并没有涉及Sw ift/XRT捕捉到的同心环结构及其演化.本文主要通过分析XRT观测数据,来研究辐射环特性及其演化.

2 观测和数据分析

Sw ift X射线天文卫星于2004年发射升空,搭载X射线聚焦成像望远镜XRT和宽视场大面积的编码孔径望远镜(Burst A lert Telescope,下面简称BAT),其中BAT主要用于发现和定位宇宙伽玛射线暴事例.虽然V 404爆发期间BAT有硬X射线能区的同步观测,但是其成像能力比较差,角分辨率在角分量级,远远大于XRT在观测V 404时发现的圆环结构的尺寸.因此,我们在数据分析中仅仅分析XRT的观测数据.

入射的X射线在经过XRT镜面的两次掠射后,在焦平面聚集并被收集,同时给出观测天体的位置、能谱和时变信息.目前XRT的有效工作能区为0.2–10 keV,空间角分辨能力为3′′,有效面积大约135 cm2(1.5 keV),观测灵敏度大约2×10−14erg·cm−2·s−1(PC模式).对于强源观测而言,XRT也存在所谓的光子堆积(Pile-up)现象.因此,对于强源的观测,XRT设计了窗口计时(W indow Tim ing,简称W T)模式,通过牺牲成像的能力快速记录数据,以达到对强源进行能谱和时变的分析的目的.XRT通常采用的是成像的PC观测模式.在我们的数据分析中我们主要分析XRT在PC模式下的观测数据.在2015年6月15日到7月5日期间,Sw ift/XRT在PC模式下对于V 404的观测数据总计有7个观测号观测到了环状结构.我们主要采用这些数据来研究环状结构;同时,为了得到V 404的长时标光变,我们也分析了所有的XRT的W T模式下的观测数据.数据分析过程中采用的分析软件为heasoft 16.6,并按照XRT的用户手册来提取图像和能谱.

XRT观测V 404的爆发从M JD 57188.77开始,截至M JD 57208.38共有51次观测,每次观测的典型时标约1 400 s.在此期间PC模式观测仅有12次,其中5次位于爆发初期, PC模式对应的总曝光时间约为19 ks.

我们首先提取了XRT观测到的V 404的图像,得到了3个同心圆环的结构,其中,圆环结构最为清晰的观测是位于M JD 57203.45的PC模式观测(观测号00031403071),结果见图1.从中可以清晰地看到,在中心点源的外围,存在着3个同心圆环,我们分别记为内环、中环和外环.其他6次PC模式的图像见图2,可以明显看到3个环的位置是随着时间在向外演化的.

图1 观测号00031403071观测图像Fig.1 The im age of observation No.00031403071

我们进行了能谱分析,分别提取了中心源以及外围3个圆环的能谱,本底取位于外环以外的环状区域,然后采用使用了W isconsin截面的光电吸收乘以单光子幂律谱(wabs×powerlaw)的模型来进行能谱拟合.对于不同的观测号,我们选择半径最小的圆环(因为它最清晰)提取了能谱信息,以观察圆环随时间变化的趋势,结果见表1.其中NH为中性氢柱密度,单位为1022cm−2;norm为1 keV时的光子数,单位为keV−1·cm−2·s−1;PhoIndex为幂律谱的指数.我们发现,在5 d的时标上内环的演化趋势为流量逐渐变小,而能谱和吸收柱密度在1倍误差范围内大致不变.内环流量从观测号00031403071到0031403072的2 d时间内降低了接近一半,而在随后的几天内在1倍误差范围内保持不变.

对于不同观测号下同心圆环,我们选取了观测号00031403071与00033861006进行比较.由于其他几个观测号中外围圆环已经模糊,计数率过低无法拟合,我们不予考虑.得到的结果见表2.这两次观测的时间间隔为2 d.我们发现,中心的点源和3个环的吸收柱密度大致一致(1倍误差范围内),而他们的强度和谱形有巨大的差异.中心点源的幂律谱指数为1.7,而3个环的幂律谱指数为6左右;中心点源流量的变化不明显,3个环的流量在2 d的时标均降低大约一半.

图2 其他图像Fig.2 O ther im ages

我们注意到3个环随着时间向外逐渐移动,由于内环的数据质量最好,而中环和外环数据质量较差(除观测号00031403071外),我们主要采用内环来研究环的空间演化趋势,而不对除观测号00031403071外的观测中的中环和外环数据进行处理.首先,考虑到观测数据量较少,我们将圆环的图像中的点用高斯分布函数扩展,使图像中离散的点分布变为连续的统计分布,将环上各处亮度变为统计平均值.然后,假定圆环光强是具有极大值的高斯分布,我们取光强等于最大光强的1/2的数据进行拟合,得到圆环的半径,拟合结果见表3.最后在root中用模型对不同时间的半径值进行拟合,得到模型的参数.

表1 不同观测号中内环能谱的W isconsin截面的光电吸收乘以单光子幂律谱拟合结果Tab le 1 Fitting resu lts of inner rings in d ifferen t observations with w abs×pow er law m od el

表2 同一观测号能谱的W isconsin截面的光电吸收乘以单光子幂律谱拟合结果Tab le 2 Fitting resu lts of d ifferen t rings in the sam e observation with w ab s×p ow er law m od el

为了研究环的演化和V 404整体爆发演化的关系,我们也给出了XRT观测V404爆发的光变曲线,每一个数据点为一个观测号;对于存在圆环的PC模式观测,我们将圆环也纳入计数范围.作为比较,我们加上了Sw ift发布的BAT观测结果1h ttp://sw ift.gsfc.nasa.gov/resu lts/transien ts/BAT detected.htm l,能区是15–50 keV,见图3、图4.我们发现在M JD 57190–57200期间,V404在软X波段有一系列的爆发活动现象,其中最强的爆发位于M JD 57200附近.而这段时间中BAT的观测结果表明,在硬X波段V 404有2个峰,最强的峰处于M JD 57200之前,可能对应于通常XRB爆发过程中超前的低硬态.

表3 环半径拟合结果Tab le 3 Fitting resu lts of rad ius of rings

图3 XRT(上图)和BAT(下图)的光变曲线Fig.3 L igh tcu rves of XRT(top)and BAT(bottom)

3 讨论

经过了两周的W T模式的观测,Sw ift/XRT探测器于2015年6月30日在PC模式下观测到了有趣的环状结构;7月10日,美国航空航天局新闻网站就圆环现象进行了报道,将其描述为由尘埃层反射产生的X射线“回音”.我们使用M iller-Jones等[4]计算出的V 404距离精确值(2.39±0.14)kpc进行计算.假设圆环是由距离探测器(2.39±0.14) kpc的光源发出的,则圆环半径尺度将在数百光年量级,圆环的产生不可能与V 404的此次爆发相关;而环的演化速度也会超过光速,达到几十光年每天.因此这种假设是不成立的.从能谱来看,圆环能谱的高能段衰减剧烈,明显有别于中心源能谱,可以认为3个圆环的发光机制相近并明显区别于中心源.

图4 XRT不同能区的光变曲线.由上至下依次为2–4 keV,4–6 keV,6–8 keV,8–10 keV能区的光变曲线.Fig.4 Lightcu rves of XRT in d ifferen t energy ranges.From top to bottom:ligh tcu rves in 2–4 keV,4–6 keV,6–8 keV,and 8–10 keV

基于已有的数据结果,我们推断在V 404与我们之间存在着一个云团(如图5所示).云团中粒子对X射线的散射导致了同一次爆发产生的X射线(假定爆发产生的X射线是各向同性的)经不同路径进入探测器,从而导致了到达探测器的时间不同.基于这种模型,同一时间不同圆环上的光子应该来自于不同的爆发.设图中地球与云团间光路l2、l1与光路l0夹角分别为θ1、θ2,地球与云团、V404距离分别为r和d,爆发时间为t0,则光子经光路l2l4到达探测器时间为经光路l1l3到达探测器时间为根据半径最小的圆环的半径随时间的演化,可以拟合出云团的位置r与爆发时间t0,从而推算出3个圆环爆发产生光子经光路l0到达探测器的时间.通过拟合(图6),得到云团与地球距离为r=6842光年(约2.10 kpc),进而计算出3个圆环爆发产生的光子经光路l0到达探测器时间依次为M JD 57199.473、57187.810以及57176.194.从光变曲线可以看出,在M JD 57199–57200间确实存在一次持续时间较长的爆发;而M JD 57189前的时间由于缺乏相应的观测数据不能进一步验证猜想.此外,从不同能段的光变曲线也可以看出,M JD 57199–57200那次爆发的高能段计数率明显低于低能段,在8 keV至10 keV能段计数率峰值(61 cts·s−1)仅为2 keV至4 keV能段计数率峰值(577 cts·s−1)的近1/10;而根据能谱拟合的结果,粗略计算可知9 keV的微分流量(单位为cts·s−1·keV−1)应约为3 keV处的1/700,这远远小于光变曲线上计数率的比值.这种现象可以通过云团粒子对光子的散射得到解释.在康普顿散射中,入射光子能量越高,散射振幅越小.对于高能光子,不易被粒子散射产生大幅度角度改变,故圆环的能谱在高能段迅速减少.此外,对于被散射的光子,每次散射会损失一部分能量,使得谱形变软.考虑到云团本身具有一定结构,不同位置的光深和温度可能存在差异,特别是云的结构可能导致散射光深存在结构,进而可能导致环强度随着时间的演化.更详细的关于环强度时变结果的理解需要更多关于云团的结构的信息,这里不做详细讨论.

图5 云团模型示意图.图中E表示地球,B表示黑洞V 404,椭圆表示云团.对于经中心光路l0到达探测器的光子,历时最短;l2l4、l1l3表示经云团反射到达探测器的光子路径,历时较长(角度越大,历时越长).图中角度与距离比例不代表实际值.Fig.5 A sim p le m odel of the cloud.E,B,and the ellipse rep resent the Earth,V 404,and the cloud, respectively.The photons that w ent a long line l0took the shortest tim e to arrive at the detector,w h ile those along the poly lines l2l4and l1l3took longer tim e(the larger the angle between the path and l0is, the longer tim e it took).T he ang le and ratio of d istance don’t m eet with the rea l one.

图6 对于时间-圆环半径的拟合结果Fig.6 Fitting resu lt of tim e-rad ius relation

4 结论

V404的此次爆发不同于以往,呈现出了清晰的圆环结构,主要原因是XRT首次得到了V 404爆发期间的成像观测.这些成像观测有助于我们更好地理解V404这个超亮天体的爆发演化特性.我们发现假设距离我们6842光年(约2.10 kpc)处存在一个云团,可以帮助我们解释XRT观测得到圆环的演化并定性解释能谱的结构.关于能谱的定量分析还有待进一步探讨.此外,由于数据量的不足无法验证中环和外环的爆发时间.如果此后还能观测到V 404的圆环结构,可能会提供可以进一步验证猜想的数据.

参考文献

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[2]K hargharia J,Froning C S,Rob inson E L.A p J,2010,716:1105

[3]Casares J,Charles P A,Nay lor T.Natu re,1992,355:614

[4]M iller-Jones J C A,Jonker P G,Dhaw an V E,et a l.A p JL,2009,706:L 230

[5]Rod riguez J,Cadolle Bel M,A lfonso-Garz´on J.arX iv:1507.06659,2015

[6]K ing A L,M iller J M,Raym ond J,et al.arX iv:1508.01181,2015

The Ou tbu rst Observations of B lack Hole B inary System V 404 Cyg by Sw ift/XRT in 2015

FU Bo-wen1,2CHEN Yu-peng2ZHANG Shu2JILong2LI Jian3

(1 Schoo l of Physics,N an jing Un iversity,Nan jing 210093) (2 Institu te of H igh Energy Physics,Chinese A cadem y of Scien ces,Beijing 100049) (3 In stitu te of Space Scien ce,Cerdan yo la del Va ll`es,Spain 08193)

A fter a quiescence of 26 years,the black hole binary system V 404 Cyg underwent another outburst in June 2015.During the later phase of this outburst, Sw ift/XRT(X-ray Telescope)detected for the first time a unique structure ofa seriesof concentric rings in an imagingm ode.In this paper,by analyzing the public Sw ift/XRT data,we derived the spectral and tem poral properties upon these ring structures.Our results show that,the spectrum of the rings is high ly softened with respect to that of the central source,and the strength of the spectrum is also variable as the rings are moving outward.These results can be understood in the model of a cloud which is located between the source and the observer at a distance of roughly 6842 light years (about 2.1 kpc).We found that under this assum p tion the burst observed by XRT around M JD 57199–57200 is themost probable producer of the inner ring.

stars:black holes,X-rays:binaries,X-rays:ISM,X-rays:bursts,ISM: clouds

P158;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.02.003

2015-09-16收到原稿,2015-10-12收到修改稿

∗国家自然科学基金项目(11473027,11133002,11103020),以及中国科学院空间科学战略性先导科技专项(XDA 04060604,XDB09000000)资助

†fbw 1@icloud.com

‡chenyp@ihep.ac.cn

⋆szhang@ihep.ac.cn