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上海天文台研究极亮X射线源出新招 —从频域分析到时频域分析
2015-12-17 | 编辑: | 【】【打印】【关闭

  极亮X射线源(Ultraluminous X-ray sources; ULXs)指一类X射线波段发光功率高于3*1032瓦特(相当于1秒钟释放的能量要大于1032焦耳——约20亿亿个原子弹释放的能量)的X射线点源。极亮X射线源究竟本质上是什么,一直存在争论。目前有两种较受认可的模型,抑或是一个吞噬物质很快的恒星级质量黑洞,又抑或是一个吞噬物质较慢的中等质量(相当于几千倍太阳质量)黑洞。因此,如果知道中心天体质量,就可以解决这一争论。但难点在于,ULXs都在银河系以外的星系,离我们很远,无法使用现有的望远镜看到它们的细节。 
  ULXs发出的X射线光度并不是一直不变的,会产生近似周期性的闪动,称作准周期振荡。中央黑洞物质吸积率的变化、喷流的进动或中央黑洞吸积盘的进动等会产生X射线光度的准周期振荡。其中,观测由广义相对论效应引起的,中央黑洞吸积盘最内稳定轨道上的物质进动的周期数值,可以推断出黑洞的质量。因此,通过研究ULXsX射线波段上的光变可以了解中央黑洞的性质。近日,上海天文台安涛研究员等综合运用了时域和频域分析方法研究了一个具有代表性的ULX源的准周期振荡,探测到3个长时标的周期,并基于翘曲盘理论对观测现象进行了解释。该工作已发表于国际期刊《天文与天体物理学》(Astronomy and Astrophysics)。 
  “目前共发现了20多颗ULXs,而NGC 5408星系中X射线波段最亮的这个名为“NGC 5408 X-1”的ULX有着时间跨度长达4.2年的监测数据,是最适合用于长时标准周期振荡的对象之一,这也是我们选择该源的主要原因。”该工作的第一作者、上海天文台安涛研究员说。 
   对时间序列作周期分析的常规办法是基于频域分析,就是通常所说的傅里叶变换。该工作则运用了通信领域常用的时域和频域同时分析的方法研究天体的动态功率谱。“时频域分析不仅能有效地探测出时间序列中隐藏的多个周期信号,还能提供这些周期对应的状态随时间的演化信息。”在桂林电子科技大学通信所从事信号处理研究工作的王俊义副教授说,他在该工作中负责时频域分析。 
  该研究团队捕获到3个周期信号,分别对应的周期为2.65天、115.4天和189.1天。他们发现,周期为2.65天的成分在绝大多数时间里很连续出现并保持稳定的周期值,它还是幅度最强的周期信号;周期为189.1天的成分连续出现在整个观测时段,呈现出连续下降的趋势,从193天减小至181天,可视为一个持续的周期信号;相比之下,周期为115.4天的成分随着时间变化显著,在中间一段时间出现跳变,后面三分之一时段,该周期成分又回归到115天。 

 

  左图:NGC 5408 X-1在测试周期为2.4天至2.8天内的频域(上面2个子图)和时频域分析结果(下面子图); 

  右图:NGC 5408 X-1在测试周期为2天至300天内的频域(上面2个子图)和时频域分析结果(下面子图)。 

  NGC 5408 X-1出现了两个时间长达100天以上的周期信号,而且这两个信号表现出随时间变化的不稳定性,显然无法用双星轨道周期来解释。我们分析认为,它们很可能与翘曲吸积盘的进动相关。”安涛说。那么为什么观测到两个进动周期呢?一个可能性是,吸积盘在一些非线性流体动力学效应下断裂成内外两部分,它们因到中心距离不同而具有不同的进动周期,刚好对应于我们看到的两个长周期振荡成分。2.6天的周期成分有可能是NGC 5408 X-1双星系统的轨道周期。从这个意义上说,中等质量黑洞的可能性依然存在。这也是首次给出了该源3个周期成分并存的理论解释。 
  “时频域的动态功率谱分析提供了周期成分随着时间的变化的更多细节,有助于区辨天体周期光变的物理本质。”安涛研究员展望说,“我们现在正积极参与和推动SKA项目的进展,相信SKA的顺利建成和运行,将大大提高射电波段的探测灵敏度和分辨率。将来利用SKAULX的中心黑洞进行成像观测,可以更明确地揭示ULX的物理本质。”  

  科研文章链接:http://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/201526182 

  科学联系人:安涛,上海天文台,antao@shao.ac.cn  新闻联系人:左文文,wenwenzuo@shao.ac.cn, 34775125  

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