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LMXBの変動とその物理的な描像
高橋 弘充、北村 唯子、深沢 泰司 (広島大学)、
桜井 壮希、牧島 一夫 (東京大学)
低質量な恒星
（～ 1 M ）
弱磁場中性子星
（< 109 G）
低質量X線連星系（LMXB）
前半： High/Soft 状態（ひろたか）
後半： Low/Hard 状態（桜井、北村）
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
アウトフローが
起こっている？
NSの磁場の影響？
LMXBの状態遷移
・状態遷移
color-color 図（CCD）
（Haisinger et al. 1989）
Upper banana
Horizontal
Island
Normal
Flaring
Z天体：形がZ
Lower banana
Atoll天体：形が環礁
それぞれの状態での物理的な描像は？
前半は、Atoll天体の Upper banana（high/soft）状態について
後半は、Atoll天体の Island (low/hard) 状態について
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
4U 1608-522
ライトカーブ（ASM検出器）
1年
距離: 3.6 kpc
（Type I バーストから推定）
PCA検出器
115回観測
Upper banana 40日
Lower banana
Island
CCD
Color-Intensity Diagram
目的(1)：UB での一般的な振る舞いは？
目的(2)：UB で、光度には依存せずに変動している物理量は？
パラメータの変動
スペクトル
RXTE衛星：
Upper banana（UB）状態の95観測を解析
（1観測は数 ks）
MCD+BBで再現
（χ2A/d.o.f.～0.8）
B
C
D
全スペクトル（>
Fe-Kライン
1 x 1037 erg/s : UB
状態）を再現
・得られる物理量
観測量：温度、半径 → 光度、質量降着率 M
BB
TBB
rBB
LBB ∝ rBB2・TBB4
MCD
NS
降着円盤
最内縁温度：Tin
最内縁半径：rin
Ldisk ∝ rin2 ・ Tin4
質量降着率 M
Ldisk ∝ M /r
∴ M ∝ rin3 ・ Tin4
パラメータの変動：目的(1)
10
光度[1037 erg/s]
LBB/Ldisk ～ 0.6 → 0.4
全光度
1
Ldisk
0.1
L ∝ M
LBB
M [任意]
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
パラメータの変動：目的(1)
10
光度[1037 erg/s]
LBB/Ldisk ～ 0.6 → 0.4
全光度
1
Ldisk
0.1
L ∝ M
・LBB ∝
LBB
M [任意]
M ほど上昇しない
重力
エネルギー
1/2 円盤からの放射 L disk 
1/2 回転運動
ビリアル定理
GM M
2 r in
∝
M
× M
NS表面に降着すると LBB ∝
物質の一部（約20%）が
NSに降着していない
放射圧（円盤＋NS表面）によりNS手前からアウトフロー
パラメータの変動：目的(1)
10
光度[1037 erg/s]
LBB/Ldisk ～ 0.6 → 0.4
全光度
1
Ldisk
0.1
L ∝ M
・LBB ∝
LBB
M [任意]
M ほど上昇しない
重力
エネルギー
1/2 円盤からの放射 L disk 
1/2 回転運動
ビリアル定理
GM M
2 r in
∝
M
× M
NS表面に降着すると LBB ∝
物質の一部（約20%）が
NSに降着していない
放射圧（円盤＋NS表面）によりNS手前からアウトフロー
光度に依存しない自由度は何か？：目的(2)
予想される平均値を差し引いた変動成分 (X’) の図
（r’in との相関）
普通の変動の図
（Ltot との相関）
Ldisk
変動の仕方が２つ
・Ldisk, LBB は
ほとんど変動せず
(Constant-luminosity
branch: CLB)
L’disk
L’BB
LBB
kT’BB
rin
kTBB
kT’in
両branchは、r’in~0.85
で接しているかも？
kTin
r’BB
rBB
全光度
・両光度が反相関
（Variable-luminosity
branch: VLB）
r’in
光度に依存しない自由度は何か？：目的(2)
前ページの右図（変動成分の分布）
CLBの特徴
Mdot ∝ r3T4 ∝ r1 （見かけ上?）
FBに近づくと rin：小、Mdot小
HBに近づくと rin：大、Mdot大
・光度は変化しない
・BB成分の変動はない
・円盤成分は kT’in ∝ r’in-0.5
=> 解釈：本当に rin が変動？
rin の変動は見かけ上
（rin は一定で hardening factor が変化？）
L’disk
L’BB
Z天体のNBに対応？
kT’BB
VLBの特徴
・光度が反相関（L’disk は減少、L’BBは増加するのみ）
・BB成分は、L’BB の変動に対して増加
（Mdot ∝ r3T4 ∝ r0）
・円盤成分は kT’in ∝ r’in-0.75
=> 解釈：本当に rin が変動？
kT’in
r’BB
r’in
Z天体のFBに対応？
自由度2とは、Ltot （全光度、質量降着率）と
r’in （円盤の最内縁半径の見かけ上/実際）
の変動と考えられる
いま考えている物理的な描像
CLB
最内縁半径の見かけ上の変化
（<=hardening factor の変化、円盤の厚みが上下に振動？）
VLB
最内縁半径が実際に遠ざかる
<= 物質が円盤上で放射せずに落ちた先のNS表面で放射
Ldisk が減少した分だけ、LBB が増加
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4U 1608-522
Color-Intensity Diagram
Constant-luminosity branch
Variable-luminosity branch
目的(2)
UB で、光度には依存せずに変動している物理量は？
・全光度（質量降着率）
・円盤の最内縁半径（見かけ上/実際）の変動
まとめ（ひろたか）
・Atoll天体 4U 1608-522 の Upper Banana (high/soft)状態を解析した。
・全光度が上昇するにともなって、円盤放射ほどBB放射が
増加しないことが分かった。
これは、放射圧（円盤＋NS表面）によりNS手前からアウトフロー
が起こっていると考えられる。目的(1)
・Upper Banana 状態の変動は、２つの独立な自由度で説明されることが分かった。
１つは、全光度（質量降着率）
もう１つは、円盤の最内縁半径（見かけ上/実際）の変動と考えられる。目的(2)
同じ光度でも、Constant-luminosity branch と Variable-luminosity branch が存在する。
・Z天体との対応
放射圧が高い：
NS表面に物質が降着しにくくなる（NS表面からの放射が減少）
大量のアウトフローが光学的に厚くなる（アウトフローによる放射＋吸収）
Constant-luminosity branch ：Normal Branchに対応
Variable-luminosity branch : Flaring Branch に対応
LMXBのLow/Hard状態の振る舞い
（桜井、北村）
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14
H2. 第2~4観測の解析結果
第3観測 (L~2.9x1036 erg/s)
νFν
1
中
性
子
星
コロナ
降着円盤
黒体放射
0.1
diskBB
Tin~0.28 keV
Rin~21 km
Te ~ 35 keV
compPS
(seed=BB) t > 2.5
Tbb~0.5 keV
Rbb~10 km
c2 =1.01 (183)
5
c 0
-5
1
10
100 keV
•円盤は半径~20 kmで途切れ、NSは表面全体が光っている (Sakurai+2012)
•第2、第4観測からも同様の結果が得られた。
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H3. 第5観測の解析結果
第5観測 (
0.05νFν
L~5.0x1035
同観測の single Compton
によるフィット
erg/s)
総Rbb = 7±1 km
0.05
compPS (seed=BB)
0.01
direct BB
Rbb ≦ 3 km
5
c0
-5
Te ~ 62 keV
t ~ 2.3
Tbb~0.4 keV
Rbb~6 km
c2 =1.19 (109)
1
10
BBの一部が高密度コロナで
Comptonizeされている
100
keV
νFν
総Rbb = 7±1 km
compPS (seed=BB)
0.01
5
c 0
-5
Tbb~0.4 keV
Rbb=7±1 km
Te ~ 118 keV
t ~ 0.8
c2 =1.20 (110)
1
10
BB全体が薄いコロナで
Comptonizeされている
第2~4観測に比べ、黒体放射半径Rbbが有意に減少
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100
keV
H4. 第6,第7観測の解析結果
第7観測 (L~2.3x1034 erg/s)
第6観測 (L~1.3x1034 erg/s)
νFν
10-3
10-4
5
c0
-5
νFν
10-3
compPS (seed=BB)
Tbb~0.3 keV
Rbb=3±1 km
y = 0.4−1.1
10-4
c2 =0.91 (76)
1
5
10
keV
5
c 0
-5
compPS (seed=BB)
Tbb~0.3 keV
Rbb=3±1 km
y = 0.7−2.5
c2 =0.87 (80)
1
第5観測と同じモデルで再現できたが、Rbbはさらに減少
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5
10
keV
H5-1. Discussion: BB半径の変化
光度による黒体放射半径の変化
HardHigh状態
Rbb
(km)
Soft状態
黒体
放射
中性子星
RNS=10
2
10-4
10-3
0.01
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0.1 光度 (LEdd)
H5-2. Discussion: BB半径の変化
光度 (⇔質量降着率)によるAlfven半径 RAの変化
HardRA, Rbb
High状態 Soft状態
(km)
黒体
放射
RNS=10
中性子星
Hard-Low状態
磁軸
コロナ
2
10-4
10-3
0.01
0.1 光度 (LEdd)
低光度 (Hard-Low状態)ではNSの磁極に降着している?
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
まとめ（桜井）
• 2007年 9月~10月、「すざく」はAql X-1のアウトバーストの立ち下がりを7回観測
し、~3桁にわたり光度変化するスペクトルを得た。
• 第2~4観測はHard-high状態で、円盤は半径~20 kmで途切れ、厚い降着流となっ
てNS表面に降着し、表面全体が光っている。
• 第5~第7観測のスペクトルは、黒体放射 (BB)とそのコンプトンで再現される。光度
が下がるにつれ、BB半径は 10 kmより小さくなっていく。
• BB半径、およびコロナの光学的厚み (t)の両観点から、低光度 (第5~7観測)では
NS表面の狭い領域のみに降着し、その部分が光ると結論される。
→ Alfven半径の議論から、低光度で降着流は磁場に絞られ、
NSの磁極に降着していると考えられる。
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
NS表面の放射領域：磁場強度の違い？
・Aql X-1 L~5.0×1035 erg s-1
(北村さんの仕事)
LMXB
0.02
peak
IGR J16194－2810
2
5
L~7.6×1034 erg s-1
・IGR
0.05 2compPS（seed=DBB , BB） SyXB
0.02
0.01
共生X線連星：
Symbiotic X-ray Binary；SyXB
LMXBの一種で、NSと赤色巨星の連星
軌道周期が長い
peak
5
χ
0
-5
1
2
5
10
100 Energy (keV)
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
NS表面の放射領域：磁場強度の違い？
・Aql X-1 L~5.0×1035 erg s-1
LMXB
IGRは、黒体放射のピークがAql X-1
に比べ高エネルギー側にある
0.02
peak
2
5
L~7.6×1034 erg s-1
・IGR
0.05 2compPS（seed=DBB , BB） SyXB
0.02
0.01
peak
5
χ
0
-5
ステファン=ボルツマンの法則
L∝R2 T4
の関係から
同じ光度で比較して、
・IGR Tbb：高 ，Rbb:小
<= 磁場が強い？
Te ~100keV(fix)
τ ~ 0.6±0.1
LMXBへの進化の途中？
Tbb ~1.05±0.05 keV
Rbb ~0.68 (+0.03/-0.04)km
χν 2=1.14(594)
1
2
5
10
100 Energy (keV)
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」
まとめ（全体）
• 明るい天体では、アウトフローが生じていると考えられる。
• 全光度に依存しない変動がある。（Z天体の状態遷移に影響？）
• LMXB でも暗くなると、NS表面の放射領域が小さくなる。
→磁場の影響が効いてくると考えられる。
• 同じ光度でも、天体によってNS表面の放射領域のサイズが異なる。
→磁場の強さが異なることを反映しているのではないか？
暗い天体（星風でちょっとずつ降着、降着円盤の構造は？）
MAXIは引き続き、新しい突発天体や既知天体のアウトバーストを
バンバン見つけて下さい。
ASTRO-H では、カロリメータにより、精度のよりライン観測ができる。
かつ、パイルアップのない（統計の良い）スペクトルが取得できる。
2013年 理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」