使用AstroSat对天鹅座X-1进行长期X射线光谱分析

《Journal of High Energy Astrophysics》：Long-term X-ray spectral analysis of Cygnus X-1 using AstroSat

　　

摘要

我们利用AstroSat对黑洞双星系统Cyggnus X-1进行了2016至2019年的长期观测，涵盖了其硬态、中间态和软态。在软态期间，我们发现使用单一的康普顿散射、热盘模型和铁线模型进行光谱拟合的效果不佳，且计算出的盘半径（R_{in} < R_g）明显偏小。引入相对论性盘模型（kerrbb）虽然改善了拟合效果，但需要较高的颜色因子（${\mathrm{f\_\{col}}_{}～3.35?5.08$），这表明存在额外的康普顿散射过程。因此，我们采用了双康普顿散射模型，分别考虑了热（光学薄）和暖（光学厚）的日冕。该模型能够一致地解释Cyggnus X-1在所有软态和硬态下的光谱特征。光谱演变过程揭示了双康普顿散射在塑造其宽带辐射中的关键作用。

引言

黑洞X射线双星（BHXRBs）为研究极端环境下的吸积动力学提供了独特的机会。在这些系统中，伴星会失去物质，形成围绕黑洞的吸积盘。由于摩擦作用，盘中的物质会逐渐失去角动量并向内移动，同时产生热量。这种热能主要以X射线的形式释放出来，为我们提供了了解吸积物理过程的窗口（例如，参考Frank等人（2002年）和Remillard与McClintock（2006年）的研究）。

根据其生命周期内的流量活动，BHXRBs被分为瞬变型和持续型。瞬变型BHXRBs以反复爆发为特征，这些爆发可能持续数月到数年，之后进入静止期。在这些爆发期间，它们通常会经历不同的光谱状态，根据硬度-强度图（HID）和光谱-时间特性，这些状态被分为低硬态（LHS）、硬-中间态（HIMS）、软-中间态（SIMS）和高软态（HSS）（例如，参考Baby等人（2020年）、Homan与Belloni（2005年）、Homan等人（2001年）、Kushwaha等人（2021年）、Nandi等人（2012年）、Remillard与McClintock（2006年）以及Sreehari等人（2018年）的研究）。

在已知的BHXRBs中，Cyggnus X-1（以下简称Cyg X-1）是研究最深入和最重要的天体之一。它于1964年被发现，是第一个被确认的恒星级黑洞，也是一个持续活跃的高质量X射线双星源（HMXB）（参见Bowyer等人（1965年）的研究）。伴星为一颗O9.7 Iab型超大质量恒星HDE 2268968，轨道倾角为27°（Orosz等人，2011年），轨道周期为5.6天（Gies与Bolton，1986年）。此前估计Cyg X-1的质量约为太阳的10至15倍，但最新的测量结果显示其质量可能高达21个太阳质量（Miller-Jones等人，2021年）。此外，Cyg X-1的距离约为2千秒差距（Reid等人，2011年）。描述黑洞自转的无量纲参数a*的值极值很高，超过0.998（例如，参考Kushwaha等人（2021年）和Zhao等人（2020年）的研究）。

Cyg X-1在硬态下可以维持很长时间，持续时间超过200小时的概率大于85%；而在软态下的持续时间约为75%。中间态则非常短暂，通常仅持续几天，需要每天进行多次观测才能准确跟踪其变化（Grinberg等人，2013年）。在低硬态（LHS）下，Cyg X-1的X射线光谱呈现幂律分布，光子指数γ?2.0（例如，参考Tomsick等人，2008年）；主要辐射源自热等离子体环境中的康普顿散射事件，此时温度kT_e约为50-100 keV（例如，参考Cangemi等人（2019年）、Dove等人（1997年）、Haardt（1993年）、Ibragimov等人（2005年）和Zdziarski等人（2003年）的研究）。在高软态（HSS）下，吸积盘的热辐射占主导地位，光谱的幂律指数γ≥2.5（Cui等人，1997年）。在这两种状态之间是中间态（IMS），其光谱特性介于硬态和软态之间（例如，参考Belloni等人（1996年）和Zhou等人（2022年）的研究）。

Cyg X-1的光谱变化主要由X射线日冕物理性质的变化驱动。在硬态下，辐射来自高温、光学薄等离子体（kT_e约50–150 keV），其光学深度τ约为1；此时软盘光子通过逆康普顿散射被向上散射（例如，参考Misra等人（2017年）和Zdziarski等人（2020年）的研究）。日冕被认为是位于截断的吸积盘上方的致密内流或斑块状结构。当系统转变为软态时，日冕冷却，变得不那么显著，同时盘面向内扩展，增加了光子通量，从而导致光谱变软。日冕温度降低至kT_e?40 keV，光学深度增加，可能形成热电子与非热电子的混合分布（例如，参考Del Santo等人（2013年）、Gierlinski等人（1999年）和Walton等人（2016年）的研究）。在软态下，盘面成为主要辐射源，日冕则贡献了高能谱段。中间态表现为日冕温度、光学深度和大小的快速变化，这些变化发生在极短的时间尺度上（例如，参考Churazov等人（2001年）和Kushwaha等人（2021年）的研究）。这些日冕变化对于理解Cyg X-1在不同吸积状态下的演化至关重要。

除了直接辐射成分（如热辐射和硬康普顿散射）外，Cyg X-1的光谱还包含反射成分。这种反射是由硬X射线穿透光学厚吸积盘内部区域引起的，主要由特征性的高能连续谱（峰值约20-30 keV）和荧光铁线（约6-7 keV）组成，具体取决于盘的电离状态（例如，参考George与Fabian（1991年）的研究）。

对Cyg X-1的宽带光谱分析为研究热辐射与非热辐射之间的相互作用提供了重要线索。长期使用RXTE/ASM和CGRO/BATSE的观测显示，随着吸积率的增加，吸积盘会向内移动，增强软光子的反馈作用，从而冷却日冕并使光谱变软。在软态下，吸积盘扩展到最内稳定轨道；而高能辐射可能来源于磁暴或盘上方的动态日冕（例如，参考Zdziarski等人（2003年）的研究）。类似地，RXTE的观测（1999-2004年）表明，光谱变化受盘-日冕系统变化的影响，其中软光子通量的增加降低了日冕的加热与冷却比率（?_h/?_s），表明从硬态下的热、扩展日冕转变为盘向内移动时的冷、更紧凑的日冕（例如，参考Wilms等人（2006年）的研究）。

在过去的九年里，Cyg X-1多次被印度的多波长空间天文台Astrosat观测到（Agrawal，2002年）。Misra等人（2017年）报告了2016年1月使用AstroSat/LAXPC对Cyg X-1的首批观测结果。他们发现该源的光谱型为硬态，存在光子指数约为1.8的热康普顿散射成分，电子温度超过60 keV。后续研究中，Maqbool等人（2019年）使用2016年的四次LAXPC和SXT观测数据对Cyg X-1的硬态进行了光谱-时间分析，他们的宽带光谱分析表明所有数据都可以用单温热康普顿模型来描述，并补充了盘和反射成分的贡献。Bhargava等人（2022年）对2017年7月4日至5日的两次观测数据进行了联合分析，识别出49个独立的光谱样本。他们的宽带光谱拟合（0.1-80 keV）显示吸积盘在内部半径约为6.7±0.2 R_g，样本间的光谱变化由盘边缘的进出运动引起，且吸积率基本保持不变，产生了约2 keV的软X射线峰值。最近，Kushwaha等人（2021年）报告了对2016至2018年间九次LAXPC和SXT观测的数据分析，他们在2017年发现了一个异常软的光谱状态，此时盘辐射占主导地位，表明吸积盘延伸到了接近最大自转速度（a* > 0.9981）的黑洞的最内稳定轨道。

在这项工作中，我们展示了2016至2019年间AstroSat对Cyg X-1更广泛观测集的光谱分析结果。我们的论文结构如下：第2节详细介绍了观测方法和LAXPC与SXT的数据处理过程；第3节讨论了Cyg X-1的光谱分析；最后第4节总结了研究结果。

章节摘要

Astrosat观测与数据处理

对2.0-10.0 keV能量带内MAXI光变曲线的连续监测清楚地显示了2016至2019年间该源的行为（见图1）。通过比较8.0 - 20.0 keV和3.0 - 8.0 keV两个能量带的硬度比，图1和图2表明该源在2016年至2016年期间一直处于低硬态（LHS），然后在2017年开始向高软态（HSS）转变。直到2019年，它主要保持在HSS状态，并频繁在此两种状态之间切换

光谱分析

我们对所有同时进行的LAXPC 20和SXT观测数据进行了联合宽带光谱分析。所有光谱均使用HEASOFT工具XSPEC 12.12.1进行拟合。在拟合过程中，添加了一个常数因子以校正SXT和LAXPC之间的校准差异。同时对SXT和LAXPC的光谱进行了增益校正，斜率固定为1，但允许所有观测中的偏移量有所不同。对于所有观测数据，我们使用了0.7-80.0 keV的能量范围

讨论与结论

我们利用2016至2019年的Astrosat观测数据对Cyg X-1进行了长期光谱研究，期间该源分别处于低硬态（LHS）、中间态（IMS）和高软态（HSS）。以下是研究结果讨论。

LAXPC的光谱-强度图（HID）和MAXI光变曲线显示了四年时间间隔内的光谱状态演变（见图1和图2）。从2016年的观测数据开始，我们发现硬度大约在0.8-1.0之间，强度分布集中在2000-4000的范围内

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

H. Lalthantluanga: 负责撰写、审稿与编辑、软件开发、方法论研究及形式分析。Akash Garg: 负责撰写、审稿与编辑、数据分析、形式分析。Ranjeev Misra: 负责撰写、审稿与编辑、数据分析、形式分析。Vanzarmawii Chhangte: 负责撰写、审稿与编辑、软件开发、数据管理及概念化。Lalthakimi Zadeng: 负责撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论研究及概念化。

H. Lalthantluanga|Akash Garg|Ranjeev Misra|Vanzarmawii Chhangte|Lalthakimi Zadeng