黑洞X射线双星吸积细节观测研究

Accretion plays an important role in the evolution of the X-ray binaries and galaxies. Black Hole X-ray binaries (BHXBs) are important objects to study accretion physics. However, many unresolved issues remain in the field of BH accretion after decades of research. Revealing the observational details of BH accretion is the basis to solve the puzzles. The spectral-timing combination analysis is a traditional method to analyze the observational data. However, it is difficult to ascertain the origin of X-ray variability obtained through timing analysis for a long time, let alone using the X-ray variability to study the structure and evolution of accretion flow. We have recently proposed a set of methods to analyze the origin of the complex X-ray variability, and explored a way to reveal the details of accretion, e.g. disc-corona interaction, via timing information. HXMT is of great value in observational study on BHXBs due to its superb temporal resolution, high energy resolution and broad energy band as well as its plan to observe a large number of BHXBs. In this proposal, we would reduce HXMT data with our advanced timing methods, and try to address the problems in accretion physics through uncovering the details of BH accretion.

吸积是X射线双星和星系演化的重要过程。黑洞X射线双星是研究吸积物理的重要场所。经过数十年研究，黑洞吸积领域仍有很多基本的问题没有解决。从观测上揭示黑洞X射线双星的吸积细节是解决相关难题的基础。能谱和时变的联合分析是研究观测数据的传统方法。然而，长期以来对时变分析得到的X射线变化信息的起源不甚清楚，也就更谈不上利用这些信息来分析吸积流的结构和演化。我们最近发展了一套简易而有效的分析X射线变化起源的方法，并探索了一条从时变上研究盘-冕相互作用等吸积细节的途径。“慧眼”卫星具有很高的时间分辨率、良好的能量分辨率以及很宽的能量范围，同时计划观测大量黑洞双星，对黑洞双星的观测研究具有极大价值。本项目将把我们先进的分析方法应用到“慧眼”卫星优良的观测数据，以揭示黑洞双星吸积重要的细节，并据此尝试解决吸积物理中的前沿难题。

时域天文已经成为天文的重要研究领域。但先进的时频分析方法还没有准备好。傅立叶分析和小波分析是天文领域两种最常用的时频分析方法。然而，傅立叶分析有不足，就是它是基于线性和稳态的假设。小波分析同样是一种线性的方法。而自然界的系统通常既是非线性又是非稳态的。因此，这两种方法不是处理来自自然界系统数据的完美方法。希尔伯特-黄变换（HHT）是一种能够用来分析非线性和非稳态数据的、广为使用的时频分析方法。但HHT很少被用于天文。将HHT应用于天文主要的困难可能是：HHT是一种基于经验的方法，有很多可以依据实验结果或已有事实进行调节的参数，但天文领域比其他学科更难获取相关实验结果和已有事实。我们用HHT将信号分解成多个分量，并计算这些分量的正交指数，通过调节参数使得得到的分量尽可能的正交，从而达到优化信号分解的目的。我们将这个方法成功的应用到黑洞双星、太阳耀斑、快速射电暴（FRB），证明了这是一种正确的方法。一方面，我们用HHT得到了可以和傅立叶变换与小波变换结果相互印证的结果。另一方面，HHT对信号具有比傅立叶分析和小波分析更优越的数据适应性和灵敏度，得到的结果有更高的频率和时间分辨率，因而它能够提供重要的新信息。这有助于解决一些长期存在的难题。我们首次表明，傅立叶分析得到一些X射线准周期振荡（QPO）不是由真实的波动产生。另一方面，我们第一次将功率密度谱（PDS）分解成不依赖于模型的成分。此外，我们第一次得到了太阳耀斑准周期脉动（QPP）频率随着时间和辐射能量的演化。我们还发现磁星产生的FRB和一个太阳耀斑有相似的时频特性。这种方法能够用于揭示蓬勃发展的时域天文产生的大量数据背后的物理机制。它同样为在其他领域使用HHT提供了值得借鉴的经验。