准周期性爆发源RX J1301.9+2747中黑洞质量的X射线光谱缩放

《Journal of High Energy Astrophysics》：X-ray spectral scaling of black hole mass in quasi-periodic eruptive source RX J1301.9+2747

　　摘要
我们使用ASCA、ROSAT、XMM-Newton和NICER的观测数据，对RX J1301.9+2747中活跃吸积超大质量黑洞（SMBH）的X射线辐射进行了光谱和时序分析，该黑洞特征性地表现出准周期性爆发（QPEs）。NICER在2024年探测到该源的QPE活动再次发生。我们详细研究了QPE爆发期间该源的X射线光谱形成过程，并应用了第一原理模型——体动康普顿散射（Bulk Motion Comptonization）来解释这一现象。我们发现光子指数Γ随着质量吸积率M˙的增加而增加，并且在爆发高峰期，当M˙较高时，Γ达到饱和值Γsat=2.7±0.1。基于推导出的Γ与M˙之间的相关性，我们首次应用缩放技术来测量RX J1301.9+2747中的黑洞质量。根据AGN统一模型的假设，并参考HLX–1 ESO 243-49、OJ 287和1H 0707-495等天体，我们估计该源的黑洞质量介于4×10^5 M⊙到7×10^6 M⊙之间。此外，我们还通过时序分析估计了RX J1301.9+2747中的黑洞质量，从准周期振荡频率ν约10^-4 Hz推断出康普顿云的大小约为10^11厘米，这表明该源的黑洞质量大约为10^6 M⊙。总体而言，通过缩放方法得到的黑洞质量与其他方法的测量结果一致。

引言
近来，人们对来自星系核的软X射线发射的准周期性变化越来越感兴趣。这些准周期爆发具有相对较高的强度，通常每隔几小时或几周重复一次。这类爆发的时间尺度较小、能量较高，是非周期性的或“准周期性的”。它们与其他瞬变现象不同，因为它们的振幅很大（高达LX约10^43 erg/s），且具有短暂、恒定的时间尺度（参见Arcodia等人（2021, 2022, 2024），Chakraborty等人（2021, 2024），以及Hernandez-García等人（2025, Miniutti等人（2019）的研究）。令人惊讶的是，这些现象常常在相对宁静的星系中被探测到（在爆发之间，星系核表现出稳定且柔和的X射线辐射），这表明了一种新的瞬变活动类型。这些极端事件可能与位于相应星系中心的超大质量黑洞（SMBHs）有关，其特征是亮度的快速增减。这种活动类型首次在2018年12月使用XMM-Newton从Seyfert 2星系GSN 069的X射线辐射中发现（Miniutti等人，2019）。GSN 069展示了间隔29.8 ks的奇特高幅度X射线爆发。随后使用XMM-Newton和Chandra对该源的观测揭示了多次超软X射线爆发（Miniutti等人，2019）。爆发曲线接近对称，上升和衰减时间大约相同，每次爆发的总持续时间为约4.5 ks。Miniutti等人（2019）将这种现象称为X射线准周期爆发（QPEs），以区别于在X射线双星系统中常见的较柔和的准正弦调制（QPOs，van der Klis，1989）以及一些超大质量吸积黑洞（Gierliński等人，2008；Lin等人，2013）。

在QPOs期间，X射线光谱显示出在冷相（爆发开始和结束时约为50–80 eV）和暖相（爆发峰值时约为120–200 eV）之间的振荡。这些阶段后来被分别称为静止（QS）和爆发（ES）状态（参见Giustini等人，2024，2020，Miniutti等人，2023）。有人认为，这种变化的热辐射可能与暖光学厚日冕中低能量盘光子的康普顿散射有关，或者可能是由周期不同阶段被激活的不同盘区域发出的辐射。Miniutti等人（2019）还注意到GSN 069与另一个AGN RX J1301.9+2747（以下简称RXJ1301）在重复软X射线爆发方面的类似性质（Sun等人，2013）。目前共有九个这样的独特天体，但其变异机制仍不完全清楚。

RXJ1301是一个典型的QPE源示例，它是一个超软AGN（Dewangan等人，2000），具有不寻常的X射线变化特征，表现为长期的静止状态和短期的爆发状态（Giustini等人，2024，2020，Song等人，2020），其周期重复时间为13-20 ks（其他源参数见表1）。Giustini等人（2024）使用XMM-Newton、EXOSAT、ROSAT和Chandra的数据分析了RXJ1301在这两种状态下的X射线辐射。他们发现RXJ1301的QPEs并不像发现源GSN 069那样表现出严格的规律性。在时间特性方面，RXJ1301的QPEs之间没有明显的重复模式：它们峰值之间的平均时间约为4小时，但可能短至1小时或长至6小时。然而，RXJ1301的QPEs的光谱特征在不同能量下与GSN 069和其他QPE源非常相似。Giustini等人（2024）表明，在演变过程中，RXJ1301的X射线QPEs在温度-亮度平面上呈现滞后模式，即上升阶段比衰减阶段更热。RXJ1301的静止辐射比GSN 069更为复杂，因为它除了包含来自吸积盘的热辐射外，还包含类似软X射线过剩的成分。其长期的静止X射线通量变化幅度较小，并不严格单调，整体呈下降趋势，持续时间为22年。迄今为止，XMM-Newton已探测到34次QPEs（Giustini等人，2024）。

已经提出了多种模型来解释上述观测到的QPE现象，包括自引力透镜效应的超大质量黑洞（SMBHs）（Giustini等人，2024；Ingram等人，2021，以下简称G24）、「瑞士奶酪」旋转风模型（Middleton和Ingram，2015）、辐射盘不稳定性（例如Kaur等人，2023；Pan等人，2023；Raj和Nixon，2021）以及与质量较低的次要天体（如白矮星，King，2023；恒星级黑洞，Song等人，2020）的相互作用（包括极端质量比螺旋（EMRI）系统（Dai和Blandford，2013；Dai等人，2010；Franchini，2023；King，2023；Krolik和Linial，2022；Linial和Metzger，2023；Linial和Metzger，2023；Linial和Sari，2023；Lu和Quataert，2023；Metzger等人，2022；Tagawa和Haiman，2023；Wang等人，2022；Xian等人，2021；Yao等人，2025；Zhao等人，2022；Zhou等人，2024）的相互作用，以及考虑到Lense-Thirring进动的吸积盘模型（Middleton，2025）。EMRI模型假设存在一个围绕SMBH的吸积盘，该吸积盘与一个处于近距离轨道的恒星级天体相互作用（Dai等人，2010；Linial和Metzger，2023；Xian等人，2021）。根据这一模型，QPE源的SMBH质量范围为10^5–10^7 M⊙（Arcodia，2024；Wevers等人，2022）。将该模型应用于RXJ1301，估计主黑洞质量为M1=10^6.3 M⊙，次级黑洞质量为M2≤100 M⊙（Franchini，2023）。Shu等人（2017）使用UV/X射线分析估计RXJ1301的主黑洞质量为MBH约(0.8–2.8)×10^6 M⊙（另见Giustini等人，2020）。

为了验证用于解释RXJ1301 X射线变化的EMRI模型，我们尝试使用另一种黑洞质量估计方法——X射线光谱缩放方法（以下简称ST09（Shaposhnikov和Titarchuk，2009）来估计RXJ1301中的黑洞质量。该方法基于光子指数Γ与X射线光谱的归一化（或质量吸积率M˙）之间的相关性，通过体动康普顿散射（BMC）模型进行测量，该模型在许多具有黑洞的星系双星系统中观察到在QS和ES状态之间的转变。该方法适用的一个条件是，源在爆发期间表现出Γ的变化，并伴随特定的行为：在QS→ES的转变期间，Γ随M˙单调增加，并在M˙较高时达到一个最大恒定值；然后在ES→QS的转变期间，随着爆发消退，Γ单调减少。爆发期间的Γ饱和（即Γ在我们的参数空间中达到恒定值的阶段）是该天体含有黑洞的特定标志（Titarchuk和Zannias，1998）。实际上，Γ饱和阶段最好通过吸积流汇聚到黑洞视界来解释[参见Laurent和Titarchuk（1999）；Laurent和Titarchuk（2007）的数值模拟结果]。然后，假设黑洞吸积盘的亮度与M˙（因此与中心黑洞的质量）成正比，与到源的距离的平方成反比，我们可以通过将其Γ?M˙轨迹与已知质量和距离的黑洞源的Γ?M˙轨迹进行比较来估计黑洞的质量（有关缩放方法的更多细节，请参见Seifina和Titarchuk（2010）；Titarchuk等人（2010）；ST09）。

在第2节中，我们描述了观测和数据处理过程。第3节介绍了光变曲线分析（3.1节）、光谱分析（3.2节）以及RXJ1301中的黑洞质量估计（3.3节）。第4节讨论了所得结果及其含义。我们在第5节得出了最终结论。

观测和数据还原
我们使用了ROSAT（1991年）、ASCA（1993–1994年）、XMM-Newton（2000年）以及NICER（2024年）对RXJ1301的观测数据。这些数据来自HEASARC档案（见表2）。

结果
本文的主要目标是使用BMC模型的光谱缩放方法估计RXJ1301中的黑洞质量。因此，接下来我们将把BMC模型拟合到不同时期的X射线光谱上。然而，由于RXJ1301表现出QPEs，其在爆发（ES状态）期间的光谱特性与静止（QS状态）期间不同，因此在单次观测中可能会混合这些不同的光谱状态。为了避免混淆这些不同的光谱状态，在分析光谱之前...

关于RXJ1301（1991-2025）的X射线变化性和QPE活动
为了理解AGNs中的QPE现象，特别是RXJ1301中的现象，了解第一次QPE事件的时间、持续时间、幅度以及在给定AGN中的模式，以及该AGN活动状态之间的转换非常重要。考虑到所有使用的X射线数据，我们可以追溯过去36年来RX J1301.9+2747的X射线发射的历史演变，从而了解QPE（或类似QPE）事件的发生、强度和特征。

结论
我们分析了RXJ1301在QPE事件期间观测到的X射线光谱特性。我们使用了ASCA、NICER、XMM-Newton和ROSAT的数据进行了分析。我们发现RXJ1301在所有光谱状态下的X射线光谱都可以很好地用康普顿散射模型来拟合。我们在2024年的NICER光变曲线中探测到RXJ1301的新爆发事件，这些事件伴随着光谱的软化。在QS状态下，光谱主要由...

参考文献
缺失的引用：Arnaud等人（1999年）；Arnaud（1996年）；Baldini等人（2022年）；Blackburn等人（1999年）；Borozdin等人（1999年）；Bradt等人（1993年）；Caldwell等人（1999年）；Greene等人（2001年）；Hjellming和Rupen（1995年）；Kubota和Done（2018年）；Lense和Thirring（1918年）；McClintock和Remillard（2006年）；Mitsuda等人（2007年）；Petrucci等人（2013年）；Shrader和Titarchuk（1999年）；Sobolewska和Papadakis（2009年）；Sunyaev和Titarchuk（1980年）；Terashima等人（2012年）；Titarchuk（2021年）；Titarchuk...