双星时变模拟

1、双星时变模拟XRB也是XTP主要观目标之一，其主要科学目标：中子星双星中kHz QPO最高频率探测和对NS物态的限制；吸积毫秒脉冲星脉冲信号轮廓对中子星质量-半径关系的限制；双星演化物理规律。在此，主要模拟XRB时变和QPO的观测以及脉冲轮廓的观测。相比RXTE，XTP的优势：相对大的有效面积、高能量分辨率、好的低能响应和低本底。1双星演化小质量X射线双星在颜色-颜色图上谱态与吸积率的关系?如何解释kHz QPO频率与流量之间的所谓“平行线”关系？kHz QPO频率是否有饱和现象？该问题的关键是测量小质量X射线双星高质量的X射线宽波段能谱，得到吸积率和吸积盘内半径等物理参量。小质量X射线双星在

2、双色图上谱态与吸积率的关系目前仍存在很大的争议（如DAi et al. 2007, ApJ, 667, 411; Church et al. 2012, A&A, 546, A35）。该问题的观测目标为SCO X-1。根据DAi et al. 2007 (ApJ, 667, 411) 给出的四个能谱成分（软的热成分、热康普顿化成分、反射成分和硬的幂律谱成分，文中见表3），模拟在不同成分组合下XTP预期可观测到的宽波段连续谱、对应的总光度，以及在颜色-颜色图上的位置。DAi et al. 2007简称DA2007。模拟中的输入数据是DA2007表格3的数据。（a）模拟各成分的光变曲线：在此选用L

3、FA和HFA2模拟的原因，它们的能量响应矩阵一致，便于合并光变曲线。（1）CCD图模拟模拟步骤：（1）假设模拟观测256s，根据能量响应矩阵产生能谱；（2）产生模拟光变曲线，时间分辨率为1秒；（3）计算CCD图。为了模拟的方便，目前主要以HFA2和LFA为主。输入数据选取ADA2007的37-43号数据（文章中表格1）。为了对比CCD图，在此选择RXTE PCU2（能量响应矩阵对应的时间2003-09-12）进行对比。37-43号输入对应的LFA的能谱如下左图所示。XTP LFA与RXTE PCU2的能谱对比如下右图所示。左图：37-43 LFA能谱。右图：XTP LFA与RXTE PCU2能

4、谱对比（37号数据）由于LFA的能量分辨率很高，需要将能道进行适当合并。生成CCD图选取的四个能段：1.94-4.05keV，4.05-6.18 keV，6.18-8.32 keV和8.32-16.26 keV。其中Soft Color定义为：4.05-6.18 keV和1.94-4.05keV的平均计数率比；其中Hard Color定义为：8.32-16.26 keV和6.18-8.32 keV的平均计数率比。RXTE PCU2和XTP LFA&HFA2 CCD如下图所示。左图：RXTE PCU2 CCD。右图：XTP LFA&HFA2 CCD左图：RXTE PCU2流量随CCD位置的变化；

5、右图：XTP LFA&HFA2流量随CCD位置的变化（2）QPO性质的模拟假设QPO的频率与Diskbb的Rin相关，关系f正比于Rin-2。模拟结果如下左图所示。左图：QPO vs Rin的模拟结果，其中红点是模拟结果，绿线是输入曲线；QPO观测频率与输入比值。右图：QPO vs kT的相关关系QPO的频率与温度kT也存在很强的相关性，如上右图所示。这是由于输入数据kT与Rin之间存在相关性，如下左图所示。QPO的频率与总流量的相关结果如下右图所示。 左图：Rin与kT的变化关系。右图：QPO观测频率与流量的关系。QPO的频率与其它参数的相关性，如下图所示。QPO的频率与模型其它参数的相关结

6、果对RXTE PCA在同样的条件下，模拟结果如下面所示。相比PCA而言，XTP LFA能够很好的确定相应成分。左图：QPO频率与Rin的相关性，右图：QPO频率与kT的变化关系左图：Rin与kT的变化关系，右图：QPO频率与流量的相关性 QPO的频率与模型其它参数的相关结果如果QPO的中心频率的随能量变化时，可以模拟随光子能量依赖的结果。在此假设QPO的rms=20%，模拟观测时间为512s。模拟结果如下，虽然XTP LFA&HFA2能量测量范围比RXTE PCA的窄，但是LFA&HFA2有很好的能量分辨能力，可以进行详细的研究能谱解析的QPO性质，如下右图所示。 QPO 中心频率与能量变化(

7、f=50Hz) ，左图：PCA，右图：LFA&HFA2如果QPO的中心频率和RMS均随能量变化时，并且仅随Fe线相关。在此假设QPO的rms在Fe线心能量处达到峰值，sigma=0.8keV，模拟观测时间为512s。模拟结果如下，LFA&HFA2可以非常详细的展示能谱解析的QPO，如下右图所示。 QPO 中心频率与能量变化(f=50Hz)，左图：PCA，右图：LFA&HFA2相比RXTE PCA时变观测能力，XTP LFA&HFA2的时变观测能力提高不多，但是在能谱成分确定方面有更好的表现。2脉冲星模拟吸积中子星的自转周期的分布是什么？与轨道周期和伴星是否有关？它们是如何演化的？在300多颗X

8、射线双星中只有一小部分观测到脉冲信号，大部分源的脉冲周期或自转周期仍不清楚，它们与其它物理参量如轨道周期、颁行质量之间是否存在相关关系，它们如果随双星演化而演化等重要问题也未能得到解答。该问题的观测目标为SCO X-1，它被很多卫星多次观测过。如果在其观测数据中人为加入一个脉冲信号（如频率为500Hz），模拟XTP在10（或100）ks的观测时间内可以探测到多高脉冲比率的信号？（1）利用XSPEC产生XTP的观测谱，采用能谱参数(DAi et al. 2007, ApJ, 667, 411;)：nH=1.3x1021cm2。SCO X1的能谱如果观测10ks，可以得到SCO X-1的总光子计数：1.88x108个光子。（2）假设输入的脉冲轮廓是正弦型的脉冲轮廓：。自转频率：497.812654。在此选择不同的脉冲分数进行模拟，模拟结果如下：模拟观测时间为10ks脉冲轮廓结果（红线：输入脉冲轮廓）模拟观测时间为100ks脉冲轮廓结果（红线：输入脉冲轮廓）脉冲轮廓信噪比随观测脉冲分数的结果（蓝色：10ks，红线：100ks）其中脉冲轮廓的信噪比定义：利用正弦函数拟合脉冲轮廓，