NuSTAR对大质量X射线双星系统4U 1700–37中回旋加速器特性和吸积机制的限制

时间:2026年2月6日
来源:Journal of High Energy Astrophysics

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风馈给类氢超巨星高能X射线双星4U 1700–37的NuSTAR多周期观测显示,时间平均谱由吸积黑体加幂律截断组成,但未检测到相干脉冲信号,脉冲分数<1.5%。强度分辨光谱显示16 keV附近存在弱CRSF,结合谱线模拟和磁-吸积约束,磁场上限为(1.7–4.4)×1012 G,支持亚声速球对称吸积。该研究通过统一数据处理流程和模型比较,澄清了此前观测矛盾。

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L. West-Ocampo | F.A. Fogantini | E.A. Saavedra | J.A. Combi | F. García | P.L. Luque-Escamilla | J. Martí | S. Chaty | J.F. Albacete-Colombo
拉普拉塔国立大学天文与地球物理科学学院,阿根廷拉普拉塔市B1900FWA

摘要

4U 1700–37是一个由风驱动的高质量X射线双星系统,其中包含一个致密天体,很可能是中子星,它从O6.5 Iaf超巨星HD 153919吸积物质。目前尚未明确检测到连贯的脉动现象,其磁场强度也仍不确定;之前的NuSTAR研究仅发现了边缘性的回旋共振散射特征(CRSFs)。我们分析了所有可用的NuSTAR观测数据,以研究4U 1700–37的硬X射线定时特性和宽带光谱特征,测试了候选CRSFs在不同连续体模型和时期下的稳定性,并对其致密天体的磁场和吸积机制进行了限制。我们对两次NuSTAR观测数据进行了均匀的定时和光谱分析,使用了几种常用的吸积脉冲星连续体模型对光谱进行了建模,并通过光谱模拟量化了假定CRSFs的显著性和模型依赖性。未检测到连贯的脉动现象,我们认为脉冲分数小于1.5%。光谱数据可以用吸收黑体加上截止功率律连续体很好地描述,但在约20 keV及更高能量处显示出类似吸收的残余信号。这些特征有助于改善拟合效果,但在我们的基线分析中并不构成独立的CRSFs证据。强度分辨光谱显示,线心位置随通量变化而移动;如果将这些现象解释为回旋共振散射特征,那么该中子星的磁场强度约为(1.7–4.4)×10^12 G,且系统处于准球形亚音速吸积状态,平衡自转周期约为1.9 ks。即使没有确凿的CRSFs证据,这种多时期均匀分析也能为4U 1700–37的磁场和吸积物理提供定量约束,并有助于协调之前相互矛盾的线能量测量结果。

引言

许多双星系统中的磁化中子星(NSs)在其高能X射线光谱中展现出独特的光谱特征(Chaty, 2022)。这些特征被称为回旋线或回旋共振散射特征(CRSFs),主要表现为10至100 keV能量范围内的吸收线(Staubert et al., 2019)。回旋线产生于吸积中子星的磁极附近,那里的入射物质将动能转化为热能和辐射。在这种高温且高度磁化的环境中,电子具有离散的能量,即朗道能级,这些能级由它们垂直于磁场的运动决定。当光子与这些电子发生共振散射时,X射线光谱中会出现吸收线(Lutovinov et al., 2017)。通过测量这些特征的中心线能量E_cyc,可以推断出磁场强度(Staubert et al., 2019)。 4U 1700–37(以下简称4U1700)是一个短暂出现的食双星高质量X射线双星(HMXB),最初由Uhuru卫星于1970年探测到(Jones and Liller, 1973)。其光学对应体O6.5 Iaf超巨星HD 153919也在不久后被识别出来(Hutchings, 1974),随后该系统被归类为超巨星X射线双星(sgHMXB)(Chaty et al., 2008, Coleiro et al., 2013)。Gaia DR3数据表明该系统距离地球约1.9 kpc,可能位于Sco OB1星协中(Vallenari et al., 2023)。该源是INTEGRAL和Swift/BAT监测到的最亮的持续银河系硬X射线发射体之一(Walter et al., 2015)。该双星系统以0.22的偏心率每3.412天完成一次轨道周期,倾角约为66°(Rubin et al., 1996),产生的X射线食和调制在X射线光变曲线中非常明显(Islam and Paul, 2016)。 系统中的致密天体很可能是中子星(Clark et al., 2002, Meer et al., 2005)。早期研究中,Branduardi et al.(1978)和Matilsky et al.(1978)基于Copernicus和SAS-3的观测数据分别提出了24分钟和97分钟的脉动周期。然而,Hammerschlag-Hensberge et al.(1979)认为97分钟的周期可能是仪器伪影。后来,Murakami et al.(1984)在使用Tenma望远镜观测到的最亮耀斑期间检测到了可能的67.4秒脉动(Simpson, 1984)。尽管后续研究未能确认这些周期(例如Gottwald et al., 1986),但这类HMXBs中仍存在脉动的可能性。Chandra光谱学在一次强烈耀斑期间发现了与中子星吸积相关的康普顿冷却现象(Martinez-Chicharro et al., 2018),而使用NuSTAR和AstrSat进行的宽带光谱分析在约16 keV处发现了边缘性的CRSFs迹象(Bala et al., 2020)。 尽管有这些研究,4U1700中CRSFs的存在、能量和稳定性仍存在争议,其对中子星磁场和吸积机制的影响也尚未得到统一量化。特别是,之前的硬X射线研究基于单一时期的数据、单连续体假设以及早期的校准版本,这使得难以评估所报告特征的稳健性以及在不同观测之间的可比性。 在这项工作中,我们对所有可用的NuSTAR观测数据进行了均匀的时间和光谱分析。第2节介绍了Swift/BAT和NuSTAR数据集、更新后的校准方法以及数据还原策略,包括对仪器边缘的处理。第3节介绍了定时分析、连续体建模以及在两个时期系统地搜索CRSFs的工作,还包括强度分辨光谱分析。第4节在准球形亚音速吸积模型的背景下解释了我们的发现,并对磁场和平衡自转周期进行了限制。最后,第5节总结了主要结果,并讨论了确认或反驳假定回旋特征所需的观测条件。
Swift/BAT数据
Burst Alert Telescope(BAT;Barthelmy et al. 2005)是一款宽视场硬X射线望远镜,用于探测和定位伽马射线暴(GRBs),它是NASA于2004年发射的Neil Gehrels Swift天文台的一部分(Krimm and Team, 2004)。BAT采用编码孔径掩模,在15-150 keV能量范围内实现大视场和高灵敏度。
在本文中,我们分析了截至12月1日的4U1700完整轨道光变曲线。
结果
以下小节中的结果基于对NuSTAR观测数据(obsID 30701023001)的详细光谱和时间分析。为了提供更多背景信息,我们还分析了存档观测数据(obsID: 30101027002)。
讨论
4U1700在非食期间的NuSTAR观测为研究其硬X射线辐射提供了极好的机会。我们未在100–5000秒范围内检测到连贯的脉动现象,将脉冲分数限制在PF90% < 1.36–1.47%(FPMA/FPMB;3–79 keV),这排除了该区间内存在稳定、高幅度脉动的可能性。时间平均光谱最好用双组分连续体模型(bbody+cutoffpl)来描述,其中还包括一条窄的Fe Kα发射线。
结论
通过对4U1700约50 ks的NuSTAR观测数据分析,我们可以得出以下结论:
  • 在0.01–5000秒范围内,NuSTAR光变曲线中未检测到具有3σ以上显著性的连贯脉动现象。我们将FPMA和FPMB在3–79 keV波段的脉冲分数上限分别定为1.36%和1.47%。
  • 通过对两个时期NuSTAR数据的系统搜索,并结合多种连续体和广泛的光谱模拟,发现了类似吸收的特征。
CRediT作者贡献声明
L. West-Ocampo:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件开发、资源管理、方法论设计、数据分析、数据整理。 F.A. Fogantini:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论设计、数据分析、概念化。 E.A. Saavedra:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论设计、数据分析、概念化。 J.A. Combi:撰写 – 审稿与...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

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