黑洞X射线双星中B型准周期震荡现象的研究

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黑洞X射线双星由一个恒星级黑洞和伴星组成,其X射线辐射主要来自吸积物质引力能的释放。X射线快速光变现象是其辐射的重要观测特征。它为我们提供了黑洞附近强引力场极端条件下物质吸积和辐射过程的重要信息,其相关研究是高能天体物理的热门课题。我们使用具有高时间分辨率的罗西X射线时变探索者(Rossi X-ray Timing Explorer:RXTE)卫星,对黑洞X射线双星中的B型准周期震荡这一快速光变现象进行了系统性研究。  我们首先研究了黑洞X射线双星GX339-4由罗西X射线探索者卫星(RXTE)观测到的2002,2004,2007,2010年的四次爆发中的B型QPO的能谱时变性质。我们发现在这四次爆发中的B型QPO的出现与当时源的吸积流所处的状态是相似的。我们的数据分析结果表明,在功率谱上B型QPO出现时,能谱上对应着一个硬成分流量的突然增加和多温盘半径的减小,并且对应着一个低能段光变幅度较低并随能段逐渐升高的rms谱。前者可能来源于盘提供给冕康普顿化的种子光子的突然增加,后者也暗示着一个较为震荡的冕。我们接着进一步研究了不同能段间功率谱上B型QPO成分的时变性质以及时间延迟。结果表明B型QPO的光变是由硬成分主导的,时间延迟谱的结果与康普顿散射模型给出的时间延迟谱是一致的,这表明B型QPO与康普顿化过程有关。另外,我们发现处于爆发上分支的B型QPO的硬软两个能段间的时间延迟与频率呈现出(Τ)~v0.7关系。最后我们使用截断盘几何,提出团块物质运动触发B型QPO的图像,综合Lense-Thirring进动模型讨论以上结果。  我们然后将扩大样本,对现在已经被报道的黑洞X射线双星中的B型QPO现象,进行全局性的研究。样本建立是基于RXTE有高时间分辨的观测。通过前人的文献,可以筛选出已经被证认的B型QPO。我们同时也检查了没有文献报道的B型QPO证认的源,对样本加以完善。首先我们抓住B型QPO很有特点的两个量:硬度和时间延迟,在不同源中进行横向研究。结果表明来自不同源的B型QPO,通过其在时间延迟-硬度关系图不同位置的分布,可以被分成两组。第一组的B型QPO分布范围广,随着源硬度的软化,表现出硬时间延迟的减小最后变成软时间延迟。第二组的B型QPO则集中分布在硬时间延迟和软硬度的区域。我们讨论B型QPO的不同现象可能来自不同源内区热内流均匀性的差异。我们的另一个结果是确认了B型QPO的频率-幂律流量的正相关关系在不同的源中是普适性成立的。我们通过B型QPO产生于热内流的局部爱丁顿吸积状态的图像,结合Lense-Thirring进动模型对这一现象给出了解释。并基于此,对未知黑洞H1743-322的质量做了估计,在1σ水平上,为13.7至19.8 M☉。  我们还注意到在黑洞X射线双星爆发超亮态的流量峰值处,有一些特殊的LFQPO。它们只在GROJ1655-40的2005年爆发,H1743-322的2003年爆发和XTE J1550-564的1998年爆发被发现。这些QPO有着共同的特点。首先其PDS的宽带噪声是幂律谱形状,并且有两个QPO峰,一个处在几Hz处,另一个是十几Hz,但这两个QPO峰并不是谐频。QPO的rms幅度较低,小于1%。其QPO品质因子大于6。在多个源特定的ULS谱态的这类QPO可能构成一个新的类型。  论文的最后部分,是对我们的工作的总结,和黑洞X射线双星低频QPO研究的展望。
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