HXMT对X射线双星时变性质的观测研究

In an X-ray binary(XRB), the central compact object, a black hole (BH) or neutron star (NS), accretes matters from its companion star, releasing high energy radiation in the vicinity of the compact object. Therefore, XRB has provided ideal laboratory in exploring the structure of the compact object, the physics of high energy radiation, the effect of relativistic under strong gravity field and the theory of accretion and so on. Fast variability is widely observed in the light curves of XRB, for instances, quasi-periodic oscillations (QPOs) and Shot, which provides unique insights into the study of XRB. In the last two decades, great advances have been achieved in the study of fast variability (i.e. timing). However, the origin of fast variability is still under controversy, especially with respect to QPOs. Fortunately, the launch of insight-HXMT designing for bright sources, characterizing with broader energy range, large detection area, high energy and time resolutions, provides us great opportunities in uncovering the physics of higher energy radiation from XRBs through timing. Benefit from the Insight-HXMT high statistics observations for XRB, this research will focus on the systematically study of QPOs in higher energy band (>20keV) to constrain the current QPOs models, on the comparatively study of QPOs in different systems in large sample, on the systematically study the origin of Shot and on the accurate measurement of black hole parameters to test the accretion flow models.

在X射线双星系统(XRB)中，中心天体（黑洞或者中子星）通过吸积的方式从伴星获取物质，并在中心天体附近释放高能辐射。因此，这类天体是研究致密星结构、高能辐射机制、强引力场下的广义相对论效应、吸积及吸积盘理论等基本物理问题的理想实验室。XRB中广泛存在快速X射线光变现象，如准周期振荡（QPO）和短时标爆发（Shot）等，对这些现象的时变分析是研究XRB的有效手段。近年来，虽然人们对时变现象的观测特征研究有了很大进展，但是对它们的物理起源等问题还存有争议，具有宽能段、高能量和高时间分辨以及大有效面积的慧眼-HXMT卫星的发射，将非常有利于这些问题的解决。基于HXMT卫星对XRB高统计量的观测数据，本项目将系统研究QPO的高能(>20keV)统计性质，限制现有的理论模型；扩大QPO现象的统计样本，比较不同系统中的QPO现象；系统研究Shot的物理机制；精确测量黑洞的基本参数，检验吸积流几何模型。

X射线双星（XRB）大部分为暂现源，他们从长期的宁静态阶段转换到爆发态状态，活动周期典型的持续时间为周到月量级。研究发现XRB在爆发期间，显示了很宽范围的时变和能谱性质，观测特征有喷流、冕、准周期震荡（QPO）、强的盘辐射和反射，源的整个爆发过程可以划分源的不同谱态，包括低硬态、硬中间态、软中间态、高软态等。在功率密度谱上体现了丰富的快速时变特征，如QPO是黑洞在硬态和转换态期间一种常见的观测特征，这些时变现象是研究XRB的的有效手段。虽然人们对时变研究已经取得很大进展，但是其物理起源仍存在争议，慧眼具有宽的探测能段，而且在高能段有最大的有效面积，将非常利于研究XRB的基本物理问题。基于HXMT卫星对MAXIJ1820+070、SwiftJ1658.2-4242、EXO1846-031、MAXIJ1348-630、ScoX-1等一批XRB高统计量的观测数据，系统研究了QPO的高能统计性质，限制现有理论模型，并提出了新的模型；扩大了QPO现象的统计样本，研究了不同系统中的QPO现象；精确测量了黑洞的基本参数，检验吸积流几何模型。利用慧眼对黑洞双星MAXIJ1820+070的观测数据，发现在很宽的能段范围内都存在低频QPO现象，最高能量超过200keV，比慧眼卫星之前的QPO能量上限几乎提高了一个数量级，说明该QPO并不来自吸积盘的热辐射区域；进一步的研究还表明，QPO的频率和变化幅度都不随能量改变，且能量较低的QPO晚于能量较高的QPO产生，这些都和已有的流行模型严重冲突。因此我们提出，该低频QPO应该产生于黑洞视界附近喷流的进动，很可能是黑洞自转产生的广义相对论的参考系拖曳效应产生的。慧眼卫星的观测第一次将喷流的源头定位到距离黑洞上百公里的区域，这是迄今为止观测到的距离黑洞最近的相对论喷流，对于研究黑洞附近的广义相对论效应、物质动力学过程和辐射机制等具有重大意义。本项目发表论文18篇，其中1篇发表在NatureAstronomy，获得2020年度十大天文科技进展科技奖励。18篇期刊论文中17篇均被SCIE收录。慧眼卫星关于X射线双星中低频QPO现象的研究成果显示了其研究天体高能X射线快速光变的强大能力。目前慧眼卫星延寿两年，未来有望发现更多的高能时变现象，帮助我们全面理解XRB的快速光变。