Sw ift/XRT對黑洞雙星GS2023+338(V 404 Cyg)在2015年的爆發(fā)觀測?

付博文 陳玉鵬 張澍 紀龍 李劍

(1南京大學(xué)物理學(xué)院 南京 210093) (2中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049) (3西班牙空間科學(xué)研究所Cerdanyola del Vall`es08193)

Sw ift/XRT對黑洞雙星GS2023+338(V 404 Cyg)在2015年的爆發(fā)觀測?

付博文1,2?陳玉鵬2?張澍2?紀龍2李劍3

(1南京大學(xué)物理學(xué)院 南京 210093) (2中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049) (3西班牙空間科學(xué)研究所Cerdanyola del Vall`es08193)

在經(jīng)歷了26 yr的沉寂后,黑洞雙星GS2023+338(V 404Cyg,簡稱V 404)在2015年6月再次爆發(fā),并且在爆發(fā)末期,Sw ift上搭載的X射線望遠鏡(X-ray Telescope,簡稱Sw ift/ XRT)在光子計數(shù)(Photon Counting,簡稱PC)模式下首次觀測到了奇特的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu).主要通過分析Sw ift/XRT觀測數(shù)據(jù),對該圓環(huán)結(jié)構(gòu)進行了能譜和時變分析,給出了圓環(huán)的能譜和流量等信息.在此基礎(chǔ)上采用云團模型來解釋觀測到的圓環(huán),并對圓環(huán)特性及其與爆發(fā)源之間的關(guān)聯(lián)等性質(zhì)給出了限制.

恒星:黑洞,X射線:雙星,X射線:星際介質(zhì),X射線:爆發(fā),星際介質(zhì):云團

1 引言

GS2023+338(V 404 Cyg)是一個黑洞雙星系統(tǒng),軌道周期為(6.473±0.001)d.V 404于1989年被Ginga衛(wèi)星發(fā)現(xiàn),當時其正處于爆發(fā)期間,爆發(fā)期間的亮度為6.5×10?7erg·cm?2·s?1(約27 Crab)[1].V 404系統(tǒng)的伴星為一個質(zhì)量約為0.7 M⊙的K 3 III星[2], 1992年Casares等人通過質(zhì)量函數(shù)推測系統(tǒng)中致密星質(zhì)量至少為(6.26±0.31)M⊙,從而確認了其黑洞屬性[3].2009年,M iller-Jones等根據(jù)視差計算出了V 404與地球間距離的精確值——(2.39±0.14)kpc[4].V 404的爆發(fā)有別于一般的黑洞雙星,其亮度較高,爆發(fā)的能譜具有強烈的吸收,并且其光電吸收的柱密度有十分劇烈的變化.V 404的這些特點使得它成為一個非常有趣的研究黑洞X射線雙星系統(tǒng)(X-ray binary,簡稱XRB)爆發(fā)演化的觀測樣本.

在經(jīng)歷了26 yr的沉寂后,2015年6月15日Sw ift/XRT探測器觀測到了V 404再次爆發(fā),并觀測到了該源輻射中的同心環(huán)結(jié)構(gòu)及其演化,隨后觸發(fā)了全球高能天文望遠鏡對該源的聯(lián)合觀測.目前已經(jīng)報道的結(jié)果有:

對INTEGRAL(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,在2015年6月20日15:50UTC到6月25日4:05UTC之間,V 404的光譜在可見光波段和軟γ射線波段都表現(xiàn)出劇烈的變化.探測器在3 d中探測到了18次亮度超過6 Crab的爆發(fā),這些爆發(fā)的最小峰間間隔短至約20m in.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)流量超過6 Crab的爆發(fā)都具有較硬的能譜.對于爆發(fā)和非爆發(fā)的能譜在10–400 keV波段的分析表明射線強度的變化僅僅取決于截斷冪律譜(cut-off power law)成分的變化[5].

對Chandra數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)了一條狹窄的Fe Kα線,其寬度在某些時刻超過1 keV,這意味著探測器并沒有直接觀測到中心源.對中心源的遮擋以及強又窄的發(fā)射譜線標志著外盤可能是發(fā)光的,其結(jié)構(gòu)可能影響了V 404能譜的強烈變化.在流量最強時觀測到了強烈的P-Cygni的輪廓以及具有極高動能的強烈盤風(fēng).

但是這些結(jié)果都是通過分析爆發(fā)源的能譜和時變得到的[6],并沒有涉及Sw ift/XRT捕捉到的同心環(huán)結(jié)構(gòu)及其演化.本文主要通過分析XRT觀測數(shù)據(jù),來研究輻射環(huán)特性及其演化.

2 觀測和數(shù)據(jù)分析

Sw ift X射線天文衛(wèi)星于2004年發(fā)射升空,搭載X射線聚焦成像望遠鏡XRT和寬視場大面積的編碼孔徑望遠鏡(Burst A lert Telescope,下面簡稱BAT),其中BAT主要用于發(fā)現(xiàn)和定位宇宙伽瑪射線暴事例.雖然V 404爆發(fā)期間BAT有硬X射線能區(qū)的同步觀測,但是其成像能力比較差,角分辨率在角分量級,遠遠大于XRT在觀測V 404時發(fā)現(xiàn)的圓環(huán)結(jié)構(gòu)的尺寸.因此,我們在數(shù)據(jù)分析中僅僅分析XRT的觀測數(shù)據(jù).

入射的X射線在經(jīng)過XRT鏡面的兩次掠射后,在焦平面聚集并被收集,同時給出觀測天體的位置、能譜和時變信息.目前XRT的有效工作能區(qū)為0.2–10 keV,空間角分辨能力為3′′,有效面積大約135 cm2(1.5 keV),觀測靈敏度大約2×10?14erg·cm?2·s?1(PC模式).對于強源觀測而言,XRT也存在所謂的光子堆積(Pile-up)現(xiàn)象.因此,對于強源的觀測,XRT設(shè)計了窗口計時(W indow Tim ing,簡稱W T)模式,通過犧牲成像的能力快速記錄數(shù)據(jù),以達到對強源進行能譜和時變的分析的目的.XRT通常采用的是成像的PC觀測模式.在我們的數(shù)據(jù)分析中我們主要分析XRT在PC模式下的觀測數(shù)據(jù).在2015年6月15日到7月5日期間,Sw ift/XRT在PC模式下對于V 404的觀測數(shù)據(jù)總計有7個觀測號觀測到了環(huán)狀結(jié)構(gòu).我們主要采用這些數(shù)據(jù)來研究環(huán)狀結(jié)構(gòu);同時,為了得到V 404的長時標光變,我們也分析了所有的XRT的W T模式下的觀測數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)分析過程中采用的分析軟件為heasoft 16.6,并按照XRT的用戶手冊來提取圖像和能譜.

XRT觀測V 404的爆發(fā)從M JD 57188.77開始,截至M JD 57208.38共有51次觀測,每次觀測的典型時標約1 400 s.在此期間PC模式觀測僅有12次,其中5次位于爆發(fā)初期, PC模式對應(yīng)的總曝光時間約為19 ks.

我們首先提取了XRT觀測到的V 404的圖像,得到了3個同心圓環(huán)的結(jié)構(gòu),其中,圓環(huán)結(jié)構(gòu)最為清晰的觀測是位于M JD 57203.45的PC模式觀測(觀測號00031403071),結(jié)果見圖1.從中可以清晰地看到,在中心點源的外圍,存在著3個同心圓環(huán),我們分別記為內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán).其他6次PC模式的圖像見圖2,可以明顯看到3個環(huán)的位置是隨著時間在向外演化的.

圖1 觀測號00031403071觀測圖像Fig.1 The im age of observation No.00031403071

我們進行了能譜分析,分別提取了中心源以及外圍3個圓環(huán)的能譜,本底取位于外環(huán)以外的環(huán)狀區(qū)域,然后采用使用了W isconsin截面的光電吸收乘以單光子冪律譜(wabs×powerlaw)的模型來進行能譜擬合.對于不同的觀測號,我們選擇半徑最小的圓環(huán)(因為它最清晰)提取了能譜信息,以觀察圓環(huán)隨時間變化的趨勢,結(jié)果見表1.其中NH為中性氫柱密度,單位為1022cm?2;norm為1 keV時的光子數(shù),單位為keV?1·cm?2·s?1;PhoIndex為冪律譜的指數(shù).我們發(fā)現(xiàn),在5 d的時標上內(nèi)環(huán)的演化趨勢為流量逐漸變小,而能譜和吸收柱密度在1倍誤差范圍內(nèi)大致不變.內(nèi)環(huán)流量從觀測號00031403071到0031403072的2 d時間內(nèi)降低了接近一半,而在隨后的幾天內(nèi)在1倍誤差范圍內(nèi)保持不變.

對于不同觀測號下同心圓環(huán),我們選取了觀測號00031403071與00033861006進行比較.由于其他幾個觀測號中外圍圓環(huán)已經(jīng)模糊,計數(shù)率過低無法擬合,我們不予考慮.得到的結(jié)果見表2.這兩次觀測的時間間隔為2 d.我們發(fā)現(xiàn),中心的點源和3個環(huán)的吸收柱密度大致一致(1倍誤差范圍內(nèi)),而他們的強度和譜形有巨大的差異.中心點源的冪律譜指數(shù)為1.7,而3個環(huán)的冪律譜指數(shù)為6左右;中心點源流量的變化不明顯,3個環(huán)的流量在2 d的時標均降低大約一半.

圖2 其他圖像Fig.2 O ther im ages

我們注意到3個環(huán)隨著時間向外逐漸移動,由于內(nèi)環(huán)的數(shù)據(jù)質(zhì)量最好,而中環(huán)和外環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差(除觀測號00031403071外),我們主要采用內(nèi)環(huán)來研究環(huán)的空間演化趨勢,而不對除觀測號00031403071外的觀測中的中環(huán)和外環(huán)數(shù)據(jù)進行處理.首先,考慮到觀測數(shù)據(jù)量較少,我們將圓環(huán)的圖像中的點用高斯分布函數(shù)擴展,使圖像中離散的點分布變?yōu)檫B續(xù)的統(tǒng)計分布,將環(huán)上各處亮度變?yōu)榻y(tǒng)計平均值.然后,假定圓環(huán)光強是具有極大值的高斯分布,我們?nèi)」鈴姷扔谧畲蠊鈴姷?/2的數(shù)據(jù)進行擬合,得到圓環(huán)的半徑,擬合結(jié)果見表3.最后在root中用模型對不同時間的半徑值進行擬合,得到模型的參數(shù).

表1 不同觀測號中內(nèi)環(huán)能譜的W isconsin截面的光電吸收乘以單光子冪律譜擬合結(jié)果Tab le 1 Fitting resu lts of inner rings in d ifferen t observations with w abs×pow er law m od el

表2 同一觀測號能譜的W isconsin截面的光電吸收乘以單光子冪律譜擬合結(jié)果Tab le 2 Fitting resu lts of d ifferen t rings in the sam e observation with w ab s×p ow er law m od el

為了研究環(huán)的演化和V 404整體爆發(fā)演化的關(guān)系,我們也給出了XRT觀測V404爆發(fā)的光變曲線,每一個數(shù)據(jù)點為一個觀測號;對于存在圓環(huán)的PC模式觀測,我們將圓環(huán)也納入計數(shù)范圍.作為比較,我們加上了Sw ift發(fā)布的BAT觀測結(jié)果1h ttp://sw ift.gsfc.nasa.gov/resu lts/transien ts/BAT detected.htm l,能區(qū)是15–50 keV,見圖3、圖4.我們發(fā)現(xiàn)在M JD 57190–57200期間,V404在軟X波段有一系列的爆發(fā)活動現(xiàn)象,其中最強的爆發(fā)位于M JD 57200附近.而這段時間中BAT的觀測結(jié)果表明,在硬X波段V 404有2個峰,最強的峰處于M JD 57200之前,可能對應(yīng)于通常XRB爆發(fā)過程中超前的低硬態(tài).

表3 環(huán)半徑擬合結(jié)果Tab le 3 Fitting resu lts of rad ius of rings

圖3 XRT(上圖)和BAT(下圖)的光變曲線Fig.3 L igh tcu rves of XRT(top)and BAT(bottom)

3 討論

經(jīng)過了兩周的W T模式的觀測,Sw ift/XRT探測器于2015年6月30日在PC模式下觀測到了有趣的環(huán)狀結(jié)構(gòu);7月10日,美國航空航天局新聞網(wǎng)站就圓環(huán)現(xiàn)象進行了報道,將其描述為由塵埃層反射產(chǎn)生的X射線“回音”.我們使用M iller-Jones等[4]計算出的V 404距離精確值(2.39±0.14)kpc進行計算.假設(shè)圓環(huán)是由距離探測器(2.39±0.14) kpc的光源發(fā)出的,則圓環(huán)半徑尺度將在數(shù)百光年量級,圓環(huán)的產(chǎn)生不可能與V 404的此次爆發(fā)相關(guān);而環(huán)的演化速度也會超過光速,達到幾十光年每天.因此這種假設(shè)是不成立的.從能譜來看,圓環(huán)能譜的高能段衰減劇烈,明顯有別于中心源能譜,可以認為3個圓環(huán)的發(fā)光機制相近并明顯區(qū)別于中心源.

圖4 XRT不同能區(qū)的光變曲線.由上至下依次為2–4 keV,4–6 keV,6–8 keV,8–10 keV能區(qū)的光變曲線.Fig.4 Lightcu rves of XRT in d ifferen t energy ranges.From top to bottom:ligh tcu rves in 2–4 keV,4–6 keV,6–8 keV,and 8–10 keV

基于已有的數(shù)據(jù)結(jié)果,我們推斷在V 404與我們之間存在著一個云團(如圖5所示).云團中粒子對X射線的散射導(dǎo)致了同一次爆發(fā)產(chǎn)生的X射線(假定爆發(fā)產(chǎn)生的X射線是各向同性的)經(jīng)不同路徑進入探測器,從而導(dǎo)致了到達探測器的時間不同.基于這種模型,同一時間不同圓環(huán)上的光子應(yīng)該來自于不同的爆發(fā).設(shè)圖中地球與云團間光路l2、l1與光路l0夾角分別為θ1、θ2,地球與云團、V404距離分別為r和d,爆發(fā)時間為t0,則光子經(jīng)光路l2l4到達探測器時間為經(jīng)光路l1l3到達探測器時間為根據(jù)半徑最小的圓環(huán)的半徑隨時間的演化,可以擬合出云團的位置r與爆發(fā)時間t0,從而推算出3個圓環(huán)爆發(fā)產(chǎn)生光子經(jīng)光路l0到達探測器的時間.通過擬合(圖6),得到云團與地球距離為r=6842光年(約2.10 kpc),進而計算出3個圓環(huán)爆發(fā)產(chǎn)生的光子經(jīng)光路l0到達探測器時間依次為M JD 57199.473、57187.810以及57176.194.從光變曲線可以看出,在M JD 57199–57200間確實存在一次持續(xù)時間較長的爆發(fā);而M JD 57189前的時間由于缺乏相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)不能進一步驗證猜想.此外,從不同能段的光變曲線也可以看出,M JD 57199–57200那次爆發(fā)的高能段計數(shù)率明顯低于低能段,在8 keV至10 keV能段計數(shù)率峰值(61 cts·s?1)僅為2 keV至4 keV能段計數(shù)率峰值(577 cts·s?1)的近1/10;而根據(jù)能譜擬合的結(jié)果,粗略計算可知9 keV的微分流量(單位為cts·s?1·keV?1)應(yīng)約為3 keV處的1/700,這遠遠小于光變曲線上計數(shù)率的比值.這種現(xiàn)象可以通過云團粒子對光子的散射得到解釋.在康普頓散射中,入射光子能量越高,散射振幅越小.對于高能光子,不易被粒子散射產(chǎn)生大幅度角度改變,故圓環(huán)的能譜在高能段迅速減少.此外,對于被散射的光子,每次散射會損失一部分能量,使得譜形變軟.考慮到云團本身具有一定結(jié)構(gòu),不同位置的光深和溫度可能存在差異,特別是云的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致散射光深存在結(jié)構(gòu),進而可能導(dǎo)致環(huán)強度隨著時間的演化.更詳細的關(guān)于環(huán)強度時變結(jié)果的理解需要更多關(guān)于云團的結(jié)構(gòu)的信息,這里不做詳細討論.

圖5 云團模型示意圖.圖中E表示地球,B表示黑洞V 404,橢圓表示云團.對于經(jīng)中心光路l0到達探測器的光子,歷時最短;l2l4、l1l3表示經(jīng)云團反射到達探測器的光子路徑,歷時較長(角度越大,歷時越長).圖中角度與距離比例不代表實際值.Fig.5 A sim p le m odel of the cloud.E,B,and the ellipse rep resent the Earth,V 404,and the cloud, respectively.The photons that w ent a long line l0took the shortest tim e to arrive at the detector,w h ile those along the poly lines l2l4and l1l3took longer tim e(the larger the angle between the path and l0is, the longer tim e it took).T he ang le and ratio of d istance don’t m eet with the rea l one.

圖6 對于時間-圓環(huán)半徑的擬合結(jié)果Fig.6 Fitting resu lt of tim e-rad ius relation

4 結(jié)論

V404的此次爆發(fā)不同于以往,呈現(xiàn)出了清晰的圓環(huán)結(jié)構(gòu),主要原因是XRT首次得到了V 404爆發(fā)期間的成像觀測.這些成像觀測有助于我們更好地理解V404這個超亮天體的爆發(fā)演化特性.我們發(fā)現(xiàn)假設(shè)距離我們6842光年(約2.10 kpc)處存在一個云團,可以幫助我們解釋XRT觀測得到圓環(huán)的演化并定性解釋能譜的結(jié)構(gòu).關(guān)于能譜的定量分析還有待進一步探討.此外,由于數(shù)據(jù)量的不足無法驗證中環(huán)和外環(huán)的爆發(fā)時間.如果此后還能觀測到V 404的圓環(huán)結(jié)構(gòu),可能會提供可以進一步驗證猜想的數(shù)據(jù).

參考文獻

[1]Zyck i P T,Done C,Sm ith D A.M NRAS,1999,309:561

[2]K hargharia J,Froning C S,Rob inson E L.A p J,2010,716:1105

[3]Casares J,Charles P A,Nay lor T.Natu re,1992,355:614

[4]M iller-Jones J C A,Jonker P G,Dhaw an V E,et a l.A p JL,2009,706:L 230

[5]Rod riguez J,Cadolle Bel M,A lfonso-Garz′on J.arX iv:1507.06659,2015

[6]K ing A L,M iller J M,Raym ond J,et al.arX iv:1508.01181,2015

The Ou tbu rst Observations of B lack Hole B inary System V 404 Cyg by Sw ift/XRT in 2015

FU Bo-wen1,2CHEN Yu-peng2ZHANG Shu2JILong2LI Jian3

(1 Schoo l of Physics,N an jing Un iversity,Nan jing 210093) (2 Institu te of H igh Energy Physics,Chinese A cadem y of Scien ces,Beijing 100049) (3 In stitu te of Space Scien ce,Cerdan yo la del Va ll`es,Spain 08193)

A fter a quiescence of 26 years,the black hole binary system V 404 Cyg underwent another outburst in June 2015.During the later phase of this outburst, Sw ift/XRT(X-ray Telescope)detected for the first time a unique structure ofa seriesof concentric rings in an imagingm ode.In this paper,by analyzing the public Sw ift/XRT data,we derived the spectral and tem poral properties upon these ring structures.Our results show that,the spectrum of the rings is high ly softened with respect to that of the central source,and the strength of the spectrum is also variable as the rings are moving outward.These results can be understood in the model of a cloud which is located between the source and the observer at a distance of roughly 6842 light years (about 2.1 kpc).We found that under this assum p tion the burst observed by XRT around M JD 57199–57200 is themost probable producer of the inner ring.

stars:black holes,X-rays:binaries,X-rays:ISM,X-rays:bursts,ISM: clouds

P158;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.02.003

2015-09-16收到原稿,2015-10-12收到修改稿

?國家自然科學(xué)基金項目(11473027,11133002,11103020),以及中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA 04060604,XDB09000000)資助

?fbw 1@icloud.com

?chenyp@ihep.ac.cn

?szhang@ihep.ac.cn