雙星時(shí)變模擬

1、雙星時(shí)變模擬XRB也是XTP主要觀目標(biāo)之一，其主要科學(xué)目標(biāo)：中子星雙星中kHz QPO最高頻率探測和對NS物態(tài)的限制；吸積毫秒脈沖星脈沖信號輪廓對中子星質(zhì)量-半徑關(guān)系的限制；雙星演化物理規(guī)律。在此，主要模擬XRB時(shí)變和QPO的觀測以及脈沖輪廓的觀測。相比RXTE，XTP的優(yōu)勢：相對大的有效面積、高能量分辨率、好的低能響應(yīng)和低本底。1雙星演化小質(zhì)量X射線雙星在顏色-顏色圖上譜態(tài)與吸積率的關(guān)系?如何解釋kHz QPO頻率與流量之間的所謂“平行線”關(guān)系？kHz QPO頻率是否有飽和現(xiàn)象？該問題的關(guān)鍵是測量小質(zhì)量X射線雙星高質(zhì)量的X射線寬波段能譜，得到吸積率和吸積盤內(nèi)半徑等物理參量。小質(zhì)量X射線雙星在

2、雙色圖上譜態(tài)與吸積率的關(guān)系目前仍存在很大的爭議（如DAi et al. 2007, ApJ, 667, 411; Church et al. 2012, A&A, 546, A35）。該問題的觀測目標(biāo)為SCO X-1。根據(jù)DAi et al. 2007 (ApJ, 667, 411) 給出的四個能譜成分（軟的熱成分、熱康普頓化成分、反射成分和硬的冪律譜成分，文中見表3），模擬在不同成分組合下XTP預(yù)期可觀測到的寬波段連續(xù)譜、對應(yīng)的總光度，以及在顏色-顏色圖上的位置。DAi et al. 2007簡稱DA2007。模擬中的輸入數(shù)據(jù)是DA2007表格3的數(shù)據(jù)。（a）模擬各成分的光變曲線：在此選用L

3、FA和HFA2模擬的原因，它們的能量響應(yīng)矩陣一致，便于合并光變曲線。（1）CCD圖模擬模擬步驟：（1）假設(shè)模擬觀測256s，根據(jù)能量響應(yīng)矩陣產(chǎn)生能譜；（2）產(chǎn)生模擬光變曲線，時(shí)間分辨率為1秒；（3）計(jì)算CCD圖。為了模擬的方便，目前主要以HFA2和LFA為主。輸入數(shù)據(jù)選取ADA2007的37-43號數(shù)據(jù)（文章中表格1）。為了對比CCD圖，在此選擇RXTE PCU2（能量響應(yīng)矩陣對應(yīng)的時(shí)間2003-09-12）進(jìn)行對比。37-43號輸入對應(yīng)的LFA的能譜如下左圖所示。XTP LFA與RXTE PCU2的能譜對比如下右圖所示。左圖：37-43 LFA能譜。右圖：XTP LFA與RXTE PCU2能

4、譜對比（37號數(shù)據(jù)）由于LFA的能量分辨率很高，需要將能道進(jìn)行適當(dāng)合并。生成CCD圖選取的四個能段：1.94-4.05keV，4.05-6.18 keV，6.18-8.32 keV和8.32-16.26 keV。其中Soft Color定義為：4.05-6.18 keV和1.94-4.05keV的平均計(jì)數(shù)率比；其中Hard Color定義為：8.32-16.26 keV和6.18-8.32 keV的平均計(jì)數(shù)率比。RXTE PCU2和XTP LFA&HFA2 CCD如下圖所示。左圖：RXTE PCU2 CCD。右圖：XTP LFA&HFA2 CCD左圖：RXTE PCU2流量隨CCD位置的變化；

5、右圖：XTP LFA&HFA2流量隨CCD位置的變化（2）QPO性質(zhì)的模擬假設(shè)QPO的頻率與Diskbb的Rin相關(guān)，關(guān)系f正比于Rin-2。模擬結(jié)果如下左圖所示。左圖：QPO vs Rin的模擬結(jié)果，其中紅點(diǎn)是模擬結(jié)果，綠線是輸入曲線；QPO觀測頻率與輸入比值。右圖：QPO vs kT的相關(guān)關(guān)系QPO的頻率與溫度kT也存在很強(qiáng)的相關(guān)性，如上右圖所示。這是由于輸入數(shù)據(jù)kT與Rin之間存在相關(guān)性，如下左圖所示。QPO的頻率與總流量的相關(guān)結(jié)果如下右圖所示。 左圖：Rin與kT的變化關(guān)系。右圖：QPO觀測頻率與流量的關(guān)系。QPO的頻率與其它參數(shù)的相關(guān)性，如下圖所示。QPO的頻率與模型其它參數(shù)的相關(guān)結(jié)

6、果對RXTE PCA在同樣的條件下，模擬結(jié)果如下面所示。相比PCA而言，XTP LFA能夠很好的確定相應(yīng)成分。左圖：QPO頻率與Rin的相關(guān)性，右圖：QPO頻率與kT的變化關(guān)系左圖：Rin與kT的變化關(guān)系，右圖：QPO頻率與流量的相關(guān)性 QPO的頻率與模型其它參數(shù)的相關(guān)結(jié)果如果QPO的中心頻率的隨能量變化時(shí)，可以模擬隨光子能量依賴的結(jié)果。在此假設(shè)QPO的rms=20%，模擬觀測時(shí)間為512s。模擬結(jié)果如下，雖然XTP LFA&HFA2能量測量范圍比RXTE PCA的窄，但是LFA&HFA2有很好的能量分辨能力，可以進(jìn)行詳細(xì)的研究能譜解析的QPO性質(zhì)，如下右圖所示。 QPO 中心頻率與能量變化(

7、f=50Hz) ，左圖：PCA，右圖：LFA&HFA2如果QPO的中心頻率和RMS均隨能量變化時(shí)，并且僅隨Fe線相關(guān)。在此假設(shè)QPO的rms在Fe線心能量處達(dá)到峰值，sigma=0.8keV，模擬觀測時(shí)間為512s。模擬結(jié)果如下，LFA&HFA2可以非常詳細(xì)的展示能譜解析的QPO，如下右圖所示。 QPO 中心頻率與能量變化(f=50Hz)，左圖：PCA，右圖：LFA&HFA2相比RXTE PCA時(shí)變觀測能力，XTP LFA&HFA2的時(shí)變觀測能力提高不多，但是在能譜成分確定方面有更好的表現(xiàn)。2脈沖星模擬吸積中子星的自轉(zhuǎn)周期的分布是什么？與軌道周期和伴星是否有關(guān)？它們是如何演化的？在300多顆X

8、射線雙星中只有一小部分觀測到脈沖信號，大部分源的脈沖周期或自轉(zhuǎn)周期仍不清楚，它們與其它物理參量如軌道周期、頒行質(zhì)量之間是否存在相關(guān)關(guān)系，它們?nèi)绻S雙星演化而演化等重要問題也未能得到解答。該問題的觀測目標(biāo)為SCO X-1，它被很多衛(wèi)星多次觀測過。如果在其觀測數(shù)據(jù)中人為加入一個脈沖信號（如頻率為500Hz），模擬XTP在10（或100）ks的觀測時(shí)間內(nèi)可以探測到多高脈沖比率的信號？（1）利用XSPEC產(chǎn)生XTP的觀測譜，采用能譜參數(shù)(DAi et al. 2007, ApJ, 667, 411;)：nH=1.3x1021cm2。SCO X1的能譜如果觀測10ks，可以得到SCO X-1的總光子計(jì)數(shù)：1.88x108個光子。（2）假設(shè)輸入的脈沖輪廓是正弦型的脈沖輪廓：。自轉(zhuǎn)頻率：497.812654。在此選擇不同的脈沖分?jǐn)?shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如下：模擬觀測時(shí)間為10ks脈沖輪廓結(jié)果（紅線：輸入脈沖輪廓）模擬觀測時(shí)間為100ks脈沖輪廓結(jié)果（紅線：輸入脈沖輪廓）脈沖輪廓信噪比隨觀測脈沖分?jǐn)?shù)的結(jié)果（藍(lán)色：10ks，紅線：100ks）其中脈沖輪廓的信噪比定義：利用正弦函數(shù)擬合脈沖輪廓，