XTE J1550–564 2001年“迷你爆发”的X射线能谱研究∗

葛 康 董爱军 刘 畅 支启军

(1 贵州师范大学物理与电子科学学院贵阳 550001)

(2 贵州师范大学贵州射电天文数据处理重点实验室贵阳 550001)

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1038erg·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小于某一临界值时,Γ与呈反相关;当大于该临界值时,Γ与呈正相关[8].Qiao等[9]和Cao[10]研究了Γ与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 (Shakura-Sunyaev 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1035–1037erg·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±0.6M⊙,距离D=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.

表1 XTE J1550–564在2000年爆发的观测数据Table 1 Observational data of outburst of XTE J1550–564 in 2000

表1 续Table 1 Continued

表2 XTE J1550–564在2001年爆发的观测数据Table 2 Observational data of outburst of XTE J1550–564 in 2001

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=0.32×1022cm−2[28].若拟合效果较差(卡方值χ2>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χ2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.

表3 XTE J1550–564在2000年爆发的拟合结果Table 3 The spectral fitting results of outburst of XTE J1550–564 in 2000

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

从表3可以看出2000年的正常爆发中,Ftotal的峰值为2217.07×10−11erg·s−1·cm−2(LX∼4.3%LEdd),谱指数Γ∼1.42–2.22,χ2≤1.41.Ftotal≥160.04×10−11erg·s−1·cm−2,模型主要以diskbb+gaussian+powerlaw为主;Ftotal≤141.00×10−11erg·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84.21×10−11erg·s−1·cm−2(LX∼0.16%LEdd),谱指数Γ∼1.35–1.72,χ2≤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-F2–10keV关系.从图中可以看出此次迷你爆发Γ-F2–10keV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−F2–10keV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].