明亮X射线暂现源的时变,能谱和偏振研究

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软X射线暂现源和超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例的X射线闪耀,是X射线天空中变化最剧烈的天体之一;它们的光度可以在几十天之内变化几个量级。这两类源的X射线辐射都来自于致密天体吸积过程:软X射线暂现源中恒星质量黑洞/中子星从伴星吸积物质,而超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例的X射线闪耀中超大质量黑洞潮汐撕裂经过它附近的恒星并吸积部分恒星残骸。软X射线暂现源在不同光度下表现出不同的观测特征。由于X射线辐射来自非常靠近致密天体的区域,它们不可避免地受到强引力场的影响,携带强引力场的信号。因此研究这些X射线暂现源不仅可以告诉我们不同吸积率下吸积流的性质,还告诉我们致密天体性质如何影响吸积喷流及其辐射,从而理解如何从观测其能谱时变及偏振限制致密天体的性质。  在简介部分,我们简要地介绍上述X射线暂现源的观测现象和理论模型。其中,软X射线暂现源在不同的光度下表现出不同的谱态,具有耦合的能谱和时变特征;而且来自喷流的射电辐射的性质也依赖于X射线谱态。中子星软X射线暂现源由于中子星具有硬表面存在一型X射线爆和千赫兹准周期振荡等独特特征。之后我们介绍了致密天体的性质,低质量X射线双星中的物质供给和吸积理论,包括解释软X射线暂现源谱态的截断盘模型。对于超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例的X射线闪耀,我们介绍了它的天体物理理论以及观测到的事例。  第二章中我们介绍X射线双星时变特征依赖光子能量的证据。我们发现在黑洞软X射线暂现源MAXIJ1659-152中,软X射线能段的时变特征并不依赖于源所在的能谱态。当源进入硬中间态,多色盘成分开始主导软能段时,这个能段内的功率谱体现出微弱的幂律噪声主导的软态时变特征,而硬能段功率谱仍由频率截止噪声和准周期振荡主导,体现为硬态或硬中间态的特征。这说明幂律噪声来自于标准薄盘,而频率截止噪声/准周期振荡来自热吸积流,且黑洞软X射线暂现源的能谱态与功率谱态并不一一对应。这个发现挑战了目前黑洞软X射线暂现源能谱态与功率谱态一一对应的图像。  第三章中,我们分析了对中子星软X射线暂现源Aquila X-1中低频准周期振荡频率的演化,并以此研究吸积盘中特征半径的演化,限制截断盘模型。之前的研究表明X射线功率谱中的特征频率很可能反映吸积流中的特征尺度或半径。X射线暂现源爆发光度上升过程中低频准周期振荡频率随之上升。而在截断盘模型中,截断半径在爆发上升过程中下降。因此低频准周期振荡的频率可能与截断半径相关。我们分析了低频准周期振荡达到的最高频率以及频率变化率,并与黑洞软X射线暂现源做了比较。最后我们利用观测到的频率与X射线流量的关系限制了截断盘模型。  第四章中,我们提出了一种利用铁Kα线轮廓演化限制超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例的X射线闪耀中黑洞性质的方法。由于闪耀爆发流量预期上升剧烈,因此相比活动星系核它们是理想的铁线反响映射的对象。铁线反响映射是指硬X射线照射吸积盘产生的铁线辐射光变对连续谱光变的响应。我们计算了超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例的X射线闪耀中的铁Kα线反响映射,在这过程中我们还考虑了吸积流的电离度变化对铁线辐射的影响。我们发现可以用超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例的X射线闪耀中的铁线能谱变化的特征限制超大质量黑洞性质。这个工作为用XMM-Newton/Swift在未来超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例X射线闪耀极早期做X射线能谱观测提供了理论依据。  第五章中,我们讨论X射线偏振观测的一个可能应用。X射线偏振观测能够提供能谱和光变之外的额外信息,有助于解除现有模型简并。我们发现X射线偏振观测可以用来有效地探测Bardeen-Petterson盘,这类盘有倾角不同的内盘和外盘。我们基于一个简单模型计算了X射线偏振度,并发现它的偏振度很敏感地依赖于光子能量,为探测Bardeen-Petterson盘提供了最佳途径。  最后一章是简单的总结和展望。
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