通过SRG/ART-XC观测到的核恒星盘的X射线辐射

《Journal of High Energy Astrophysics》：X-ray emission of the Nuclear Stellar Disk as seen by SRG/ART-XC

基于ART-XC望远镜的4?12 keV能段观测，确定银河系中心核恒星盘（NSD）呈规则形状且沿银河面分布，其横向和纵向尺度高度分别为20 pc和100 pc，总流量为(5.9±0.3)×103? erg/s，比发射度较银河隆起区高3.3倍，证实NSD X射线 emission主要由无法分辨的点源主导。

　　银河系中心区域是研究恒星群体、星际气体和紧凑天体之间相互作用的独特环境，尤其是在极端引力势和高物质密度的条件下。其中，核星盘（Nuclear Stellar Disk, NSD）是一个特别值得关注的结构。NSD是一个紧凑且轴对称的恒星组件，集中分布在距离银河系中心（Galactic Center, GC）约30至300秒差距（pc）的范围内，其空间位置与中央分子区（Central Molecular Zone, CMZ）一致。研究表明，NSD主要由年龄超过80亿年的老恒星群体构成，而CMZ则是一个动态较新的区域，其维持依赖于近期的气体流入。

在X射线波段，NSD构成了一个扩展的发射源，嵌套在银河系脊线X射线发射（Galactic Ridge X-ray Emission, GRXE）之中。GRXE沿银河平面延伸，其表面亮度与近红外发射（如3.5微米波段）存在显著的相关性，而近红外发射被用来追踪恒星质量分布。这一相关性支持了GRXE主要来源于未解析的弱X射线源，特别是磁性激变变星（如极）和冠状活动双星的假设。进一步的高能谱分析也确认了GRXE的起源与恒星群体有关，其中白矮星吸积是主要贡献者。

尽管如此，在银河系中心的数百秒差距范围内，X射线发射仍然存在一个持续的过量，这种过量无法完全通过与恒星质量密度的简单比例关系来解释。例如，Hong等人（2009）利用钱德拉卫星的数据，研究了银河系核球（Galactic Bulge, GB）内4度范围内检测到的X射线点源的空间分布，发现这些点源在中心区域的高度集中，比现有的恒星质量分布模型更为显著。类似地，Heard和Warwick（2013）对XMM-Newton数据的分析也表明，X射线发射率在Sgr A*附近呈现增加趋势，这可能是由于源群体本身的内在变化，或者是对恒星质量模型的不确定性所致。即使考虑了铁元素丰度的增强（约为银河核球的1.9倍），过量发射仍然局限于银河经度±0.3度、纬度±0.15度的范围内，空间上位于NSD区域内。

通常认为，观测到的硬X射线发射主要来源于一个由弱点源组成的群体，这些点源包括磁性激变变星和冠状活动双星。然而，也不能排除一个真正弥散成分的贡献，即温度约为7 keV的热等离子体。这种等离子体可能由多次超新星爆发或过去Sgr A*活动所加热。从能量角度考虑，维持这样的等离子体需要的功率输入约为10^41 erg/s，这为它的可能来源设定了严格的限制。

为了更深入地研究这一现象，科学家们利用了搭载在SRG（Spectrally Resolving Gamma-ray Observatory）天文台上的Mikhail Pavlinsky ART-XC望远镜。该望远镜在4至30 keV的能量范围内提供了高分辨率和宽角度的X射线成像能力。由于其低且稳定的背景，ART-XC能够有效检测到弱点源（包括磁性激变变星）以及与GRXE和NSD相关的弥散成分。

本研究的目标是使用ART-XC在4至12 keV能量范围内的宽视场观测数据，构建NSD的X射线发射模型，并估算单位恒星质量的体积发射率。为了实现这一目标，研究团队首先将观测到的NSD发射与总背景发射分离，然后将NSD的X射线发射与现有的恒星质量模型进行比较。这种方法不仅有助于验证NSDX射线发射的恒星起源，还能探讨真正弥散成分的可能贡献。

研究团队采用了SHERPA建模和拟合包（Freeman et al., 2001; Siemiginowska et al., 2024）对ART-XC的二维图像进行分析。SHERPA是CIAO软件的一部分（Fruscione et al., 2006），广泛用于X射线数据分析。通过运行不同的空间模型，研究团队能够描绘出NSD的X射线形态，并量化其空间分布特征。研究结果显示，NSD的X射线发射在空间尺度上呈现出规则的形状，并且与银河平面高度一致。其纬度和经度的尺度高度分别约为20 pc和100 pc，这表明NSD的X射线发射具有一定的对称性和结构。

此外，研究团队还对观测到的NSD表面亮度分布进行了去投影分析，以构建三维X射线亮度密度模型。这一模型可以直接与现有的三维恒星质量模型进行比较。通过这样的分析，研究团队得出结论，NSD的X射线发射空间分布与最近的恒星质量密度模型在30%的误差范围内一致，这表明该发射主要由未解析的点源构成，而非弥散的X射线发射。这一发现为理解银河系中心区域的X射线发射机制提供了重要的线索，同时也为未来的研究提供了新的方向。

本研究还强调了对NSD和GRXE的综合分析的重要性。NSD作为银河系中心的一个关键结构，其X射线发射不仅反映了恒星群体的物理特性，还可能与周围的星际介质和紧凑天体的相互作用有关。通过高分辨率的X射线观测，科学家们能够更精确地描绘出这些结构的细节，并进一步探讨其形成和演化过程。此外，研究团队还指出，现有的恒星质量模型可能需要进行修正，以更好地解释观测到的X射线发射特征。

为了确保研究结果的可靠性，团队采用了多种方法对数据进行了处理和分析。首先，他们利用了SRG天文台在2019年进行的校准和性能验证（CalPV）阶段收集的ART-XC数据，这些数据是用于银河核球调查的一部分。总共有1.5百万秒的观测时间被分配用于扫描银河系中心区域。由于SRG采用的是栅格扫描技术（Sunyaev et al., 2021），团队在分析中使用了具有不同有效曝光时间的数据集。这种方法有助于提高观测的精度和可靠性，同时减少背景噪声的影响。

在对观测数据进行建模时，团队测试了三种不同的空间模型，以描述NSD的X射线发射特征。所有其他模型组件在所有运行中保持相同的函数形式，但所有模型参数——包括非NSD组件的参数——都被允许在拟合过程中自由变化。拟合过程采用了Cash统计量（Cash, 1979），这是一种常用于X射线数据分析的统计方法，能够有效处理有限的观测数据。同时，团队使用了Nelder–Mead单纯形算法作为优化方法，以确保拟合结果的准确性和稳定性。

通过这些方法，研究团队能够更精确地描绘出NSD的X射线发射特征，并与现有的恒星质量模型进行比较。他们发现，NSD的X射线发射在空间分布上与恒星质量分布具有高度一致性，这进一步支持了其由未解析的点源构成的假设。此外，研究团队还指出，NSD的X射线发射在能量分布上与GRXE存在一定的差异，这可能反映了不同源类型的物理特性。

本研究的成果不仅有助于理解银河系中心区域的X射线发射机制，还为未来的观测和理论研究提供了重要的基础。通过高分辨率的X射线成像，科学家们能够更深入地探索银河系中心的复杂结构，并揭示其背后的物理过程。此外，研究团队还强调了对银河系中心区域进行多波段观测的重要性，这有助于更全面地理解恒星群体、星际介质和紧凑天体之间的相互作用。

在研究过程中，团队还注意到了一些重要的挑战和限制。例如，银河系中心区域的高密度和复杂的结构使得X射线信号的解析变得尤为困难。此外，背景噪声的处理也是一个关键问题，尤其是在低能段的观测中。为了克服这些挑战，团队采用了多种数据处理和建模方法，以确保结果的准确性和可靠性。

总体而言，本研究通过ART-XC的观测数据，揭示了NSD在4至12 keV能量范围内的X射线发射特征。研究结果表明，NSD的X射线发射主要由未解析的点源构成，而非弥散的X射线发射。这一结论不仅支持了现有的理论模型，还为未来的观测和研究提供了新的方向和思路。通过进一步的分析和研究，科学家们希望能够更全面地理解银河系中心区域的X射线发射机制，并揭示其背后的物理过程。