AstroSat探测4U 1820?30千赫兹准周期振荡及其对中子星质量的约束

《Journal of High Energy Astrophysics》：AstroSat's view of kHz quasi-periodic oscillations from 4U 1820?30

本刊推荐：本研究利用印度AstroSat卫星的SXT和LAXPC观测数据，对中子星低质量X射线双星（NS-LMXB）4U 1820?30进行了宽带（0.6-23.0 keV）光谱与时序分析。研究首次在该源中同时探测到640-1090 Hz的千赫兹准周期振荡（kHz QPOs），并通过相对论进动模型（RPM）将中子星质量限定为1.8 M⊙，为理解极端引力环境下的物质状态方程（EoS）提供了关键观测依据。

　　

研究亮点

观测与数据缩减

4U 1820?30由AstroSat的SXT和LAXPC仪器在2016年10月17日、2017年7月30日及31日进行了总曝光时间达151 ks的观测。SXT在观测1和2中采用快速窗口（FW）模式，观测3中采用光子计数（PC）模式；LAXPC在所有观测中均使用事件分析（EA）模式。

光变曲线与硬度-强度图

基于SXT（0.6-7.0 keV）和LAXPC（3.0-23.0 keV）数据生成了40.0 s时间分辨率的净光变曲线。LAXPC的硬度-强度图（HID）显示：观测1中硬度和强度呈正相关，而观测2和3中源呈现孤立的团块状结构，与先前研究中描述的"岛态"特征一致。

结果与讨论

对4U 1820?30的系统性光谱-时序分析表明：时间平均光谱可用常数×吸收边×tbabs（nthcomp + bbodyrad + diskbb）模型拟合，揭示了来自吸积盘（kT_in ≈ 0.31 keV）、黑体辐射（kT_bb ≈ 1.43 keV）和康普顿化成分（Γ ≈ 1.24–1.89）的发射。时序分析检测到频率为640–1090 Hz的kHz QPOs，其均方根振幅（RMS）为6–10%，品质因子达8–42。上、下kHz QPO的RMS-能谱和时延-能谱暗示它们源于具有共同辐射机制的光子调制。通过相对论进动模型（RPM）反推的中子星质量约为1.8 M_⊙，且QPO发射半径约17 km，接近中子星表面。

结论

本研究通过AstroSat的多波段联合分析，确认4U 1820?30处于硬谱态，并首次系统刻画了其kHz QPO的能谱演化特征。结果表明QPO特性与质量吸积率呈反相关，为利用高频时序信号探测致密天体强引力场提供了新范例。