ポスター

低質量X線連星 GRS 1915+105の近⾚外線の短時間変動について
広島⼤学
今⾥郁弥、笹⽥真⼈

電波

GRS 1915+105 について

NIR

Image Credit: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

X線

1. 低質量X線連星. ブラックホール質量: 14+/-4.4M⨀ ∗#2. 伴星はK giant(0.8M⨀ )で公転周期は~33.9⽇ ∗$ジェット: シンクロトロン放射3. 星間吸収(Av~12.2-19.6) ∗%,' がきつく可視光は観測が難しい

伴星: ⿊体放射

降着円盤: ⿊体放射低質量X線連星の放射4. 発⾒以来 X線で3年前から突然暗くなった.∗' 現在も暗いまま
5. 2年前に近⾚外線(NIR)で歴史的増光. X線遮蔽体のNIR放射が原因の可能性 ∗(6. NIR増光イベントの前後で短期変動報告はATelに1例(1晩分)だけ.∗) 変動の特徴や起源は分かっていない
⻑期変動ライトカーブ
軟X線 (RXTE, MAXI)

軟X線 (NICER)

NIR

NIR
*1 Harlaft & Greiner 2004
*2 Steeghs et al. 2013
*3 Chapuis & Corbel 2004
*4 Negoro et al. 2018
*5 Imazato et al. 2021
*6 Murata et al. 2019

これまでの最も明るいフラックスレベル

1995

2001

2006

⻄暦 2012

2017

2020

log scale本研究の⽬的

observed flux (mJy)Count rate

2019-05

2020-01

2020-11X線 (NICER)NIR

NIRの⻑期的な増光成分は ジェット or X線遮蔽体.
減光補正値の不定性が⼤きい(Av~12.2-19.6)ためどっちなのか分からない

短時間変動を調べる⽬的
NIR短期変動の特徴を調べ, 2019年5⽉以降の変動起源を調査
・ジェットの光度変動タイムスケール: 10-50分 (過去の結果. 次のページ)
・X線遮蔽体の光度変動タイムスケール: light crossing time ~30sec (円盤外縁程度のサイズの場合)
緑枠期間のNIRの⻑期的な増光成分の新たな⼿がかりが得られたら嬉しい(先⾏研究) NIRの1⽇以内の短期変動のまとめ
Fender et al. 1997

Mirabel et al. 1998

Fender & Pooley 2000

Fender & Pooley 1998

Mirabel et al. 1998

Eikenberry et al. 1998

Eikenberry et al. 2000

Rothstein et al. 2005

Ueda et al. 2002

過去の論⽂では全て1⽇以内で変動している。
電波やX線の情報からこれらの変動は全てジェット由来の変動だと考えられている。

(先⾏研究) NIRの1⽇以内の短期変動のまとめ

Mirabel et al. 1998

Eikenberry et al. 1998
Fender & Pooley 2000

Fender et al. 1997

32分

24分

25分

4-14mJy
15分

6分

6分

22分

17分

15分

12分

12分

17分
13分

10分

11分

17分

20分

8分

18分

12分
13分

12分

32分

9分

22分

4-11.5mJy

43分

4-10.5mJy

4-14.5mJy

27分

17分

15分

28分

2.9-4.5mJy

4.8-25.4mJy

16分

21分

19分

4.3-22.0mJy

4.8-14.4mJy

4.3-20.6mJy

8分

20分
7分

Fender & Pooley 1998
12分

19分

Eikenberry et al. 2000
4分
8分

6分

25分
2.55-3.0mJy
19分
6分

10分

29分
12分

12分

15分

1.68-3.59mJy

22分

20分

4-8.0mJy

4-7.5mJy

Mirabel et al. 1998

4-10mJy

4-7.5mJy
13分

12分 23分
13分

26分

28分

30分

37分

3.5-11mJy

35分

4-7mJy24分

4-11mJy

15分

7分 14分

6分

2.8-5.2mJy

30分

10分

7分 9分 10分 9分

21分

27分

20分

3.5-13.5mJy

4-10.5mJy

27分

34分

4-8.5mJy

3.5-9mJy

Rothstein et al. 2005

18分

2.6-3.05mJy

6分

10分

6分

14分

12分

12分
6分

7分

10分

7分

24分

48分

明らかに2つのフレアが重なっている

2.87-3.35mJy

31分

3.3-5.74mJy

18分

2.45-3.0mJy

10分

16分

2.5-2.95mJy

Ueda et al. 2002

2.4-3.15mJy

28分

28分

3.35-4.98mJy

3.35-4.91mJy

18分

3.10-4.02mJy
5分

数⼗分のオーダー。

19分

14分

3.16-4.02mJy

14分

6分

14分
5分

7分

7分

13分

6分

17分

14分

19分

3.0-4.17mJy

13分

3.92-5.26mJy

20分

3.97-5.41mJy

23分

3.83-5.17mJy

過去の論⽂では全て1⽇以内で変動している。
電波やX線の情報からこれらの変動は全てジェット由来の変動だと考えられている。

結果: 2019-2020のNIRの1⽇以内の変動

X線(NICER)
NIR

電波
Motta et al. 2021

全期間のNIRの短時間変動を⽬視でチェックし, 時期によって変動があるか無いか調査 (次ページ)
2019年は2020年よりも変動を⽰す⽇が多い印象. 電波フラックスが⾼い (≳20mJy) 期間では短期変動多い？

5/21-5/22

⼤雑把に, 2019年は変動ありが多い,2020年は変動なしが多い結果: 2019-2020の短時間変動のパターン
2019-06-05

2019-06-12

2020-09-03

このパターンは1⽇しか⾒つかっていない

変動パターン

変動パターン~35分

変動パターン
~15分

似ている
似ている
Fender & Pooley 2000
1個のフレアの継続時間~30分

ここの時間 ~8-10分~7分

似ているものなし

Rothstein et al. 2005

明らかな変動がない⽇

2020-08-30 (6時間観測)2020-10-01 (5時間観測)短時間変動の特徴を抽出
2019-2020の短時間変動を直線でフィットして特徴抽出

過去のデータの短時間変動を直線で⽬視で当てはめて特徴抽出
24分

32分
15分

17分

10分
13分

17分

15分
12分

32分

12分

20分

25分

8分
17分

12分

20分
13分

12分

22分

43分

35分

27分

15分

30分

10分

37分

17分

30分

28分

26分

27分

34分

Eikenberry et al. 1998

短時間変動の特徴を⽐較

5 6 7 8 9 10203040

過去のデータ2019-2020のデータ

34崩壊時間 (分)フレアの振幅 (mJy)

過去のデータ2019-2020のデータ

234567 8 9Base Flux (mJy)345678 9 10203040

⽴ち上がり時間 (分)過去と⽐べて2019-2020年のデータはBase Fluxが明らかに⾼い.
⼀⽅で、フレアの振幅や⽴ち上がり時間, 崩壊時間では明らかな違いは⾒られなかった.
短時間変動は変動成分と定常成分の2つに分かれていると考えてみる.
・変動成分の特徴が過去と今回で⼤きく変わらない : 2019-2020の変動成分は従来通りジェット.
NIR短時間変動が電波フラックスが⾼い時に起こる結果(P6-7)とも無⽭盾.
・定常成分(base flux)の寄与が過去よりも今回の⽅が強い：⻑期変動で増光したと考えられるX線遮蔽体の影響？

2019-2020のNIR短時間変動のまとめ
・電波フラックスが期間は短期変動が多い印象.
・過去に報告された変動パターンが多い. 報告例の無いパターンや変動を⽰さない⽇もある.
・Base fluxが過去と⽐べて明らかに⾼い今後やることIRSFの3⾊データ解析 (東⼯⼤・村⽥さん提供)
短時間変動の変動起源を知ることができる。減光補正値も求めることができる。
GRS 1915+105の減光補正値 Av は⻑らく 19.6 だと考えられていた。
しかし最近のextinctionの論⽂結果から減光補正値を計算し直すと Av: 19.6 -> 12.2 となる。
どちらが正しいのか分からないため、上記2⼿法とは独⽴な⼿法から減光補正値求める。

予備スライドフレアの直線フィットの様⼦

過去のNIRの短時間変動の報告 1
Fender & Pooley 2000

Fender et al. 1997

https://doi.org/10.1046/j.1365-8711.2000.03847.x

10.1093/mnras/290.4.L65- - - : IRCAMS 2.2𝜇m(dereddened + 50 mJy)
… : SCUBA 1.3mm=1350𝜇m

2.4mJy1.6mJy0.580.6
0.62 0.64
MJD-51318.0
1999-05-20のNIRとmmのライトカーブ (Ak=3.3)。

1.2mJy0.56

Radio-NIRスペクトルも考慮してNIRはジェット放射と解釈可能。
Sub-mmとK bandでも明らかなdelayはなく、断熱膨張で説明可能.
NIR flare Amp 14-17 mJy (減光補正前). ただし図からは9.57-20.58mJy
NIR flareは~23分周期 (多分ピーク同⼠の時間間隔)(図から推定) K bandのbase fluxは~4.79mJy.
(図から推定) Kのriseとdecayの時間はどちらも~14分

K band ライトカーブ(おそらくreddened)。
K bandと数時間後の電波のdecay time-scaleが同じぐらいなので、周波数依存しないsmall ejectionの断熱膨張による変動が⾒えているのでは。

※ Synchrotron lossやinverse Compton lossではdecay timescaleが波⻑依存する. 𝜈 !.#(図から推定) ⽴ち上がり時間は ~6分, decay時間は ~12-18分(図から推定) Base fluxは~2.8mJy(図から推定) ピーク同⼠の時間間隔は~40分

Eikenberry et al. 1998
DOI: 10.1086/311158

過去のNIRの短時間変動の報告 2

NIRフレアのピークの間隔は~30分(図から推定) NIR flare amp ~4-10 mJy(図から推定) NIR flareの⽴ち上がりからbase fluxまで~15-30分

observed

⾊付き枠期間の拡⼤

X-ray

X-ray

NIR

NIR

X-ray

X-ray

NIR

NIR

X-ray

X-ray

NIR

NIR

1997-08-14

1997-08-15
NIRフレア Amp~5-10mJy
X線フレアとNIRフレアが1対1対応。
詳細に⾒ると、X線のフレア中にNIRがdecayしている
ので、NIR放射はreprocessingではない。
Fender+97で電波&NIRのdecay timescaleが似ているからNIR放射はJetでは(coolingはadiabatic expansionでは)。

過去のNIRの短時間変動の報告 3

Mirabel et al. 1998
Bibcode: 1998A&A...330L...9M(図から) 3.59mJy(図から) Amp~0.48mJy(図から) NIR flareの⽴ち上がりから終わりまで ~90分

(図から) 3.35mJy(図から) 1.68mJy(図から) 2.87mJy(図から) Amp~1.91mJy(図から) NIR flareの⽴ち上がりから終わりまで ~30分

電波とNIRのピークのズレがジェットの断熱膨張モデルを仮定すると理論と⼀致。NIRはジェット。
ただしピークのズレの推定で使われている t !"#,% ∝ λ '() ⁄ )'(* がどうやって導出されたか不明。

過去のNIRの短時間変動の報告 4
Fender & Pooley 1998
DOI: https://doi.org/10.1046/j.1365-8711.1998.01921.x(図から) ~6.22mJy

A_K=3.3

6.22(図から) ~5.74mJy

4.79(図から) ~3.35mJy

3.35(図から) ~3.11mJy

2.87(MJD50705=1997-09-14)

Amp ~2.87mJy, ~2.63mJy
NIR flareの⽴ち上がりから終わりまで ~20分

Eikenberry et al. 2000
DOI: 10.1086/312559

減光補正なし過去のNIRの短時間変動の報告 5K band

1998-07-10
NIRのFaint flare. Amplitude 0.3-0.6mJy.
Typical duration ~500s. Roughly symmetric flare.
フレアは~30 to 60 minutesでリピート.
(図から) NIR base flux ~2.5mJy(この時期のX線のフラックスやスペクトルの進化がFreroci+99のX-ray/radio observationと似ている。電波フレアがX-ray eventの1000sごとに電波フレアピークがあるらしい。)
彼らはNIR faint flareがあるclass C eventは複数の解釈ができると⾔っている。
Including magnetic reconnection events in the outer disk or reverse shocks
propagating through a continuous jet medium.と⾔っている。

※ ↑P3(Eikenberry+98)の⾚枠期間辺り

1997-08-15
この部分をQuasi-steady IR excessと定義して議論。
IR Baseのフラックスより⾼い。
彼らは左の期間のfaint flare(amplitude ~0.3mJy)の重ね合わせではと⽰唆。
⾼さ0.3mJy, FWHM 160s(左期間のfaint flareとconsistent)のgaussianをX線フレアごとに置いて重ね合わせたらIR Excessのexcess fluxと⼤体⼀致。

過去のNIRの短時間変動の報告 6

Rothstein et al. 2005
DOI: 10.1086/429217

3.35mJy

3.83mJy
2.87mJy

A_K=3.3
4.79mJy
3.83mJy

3.59mJy

2.87mJy

Observed flux density(mJy)

5.74mJy

NIRフレアの継続時間は15-30分30-60分で繰り返している
NIRフレアの⽴ち上がり時間は~200-300s.
NIRフレアの振幅~1.5mJy (減光補正前)
数時間前の電波観測でも似たフレアが⾒えたことからこのNIRフレアもジェットでは。
30分毎のX線の振動の数と積分NIRフラックスが正の相関。NIRフレアはX線振動に対応した多数の暗いNIRフレアの重ね合わせでは。
Integrated flux densityof accompanying infraredflare (Jy sec)

4.79mJyObserved flux density(mJy)

5.74mJy

Number of X-ray oscillations

過去のNIRの短時間変動の報告 7
Ueda et al. 2002
DOI: 10.1086/340061

NIR flare Amplitude 10-20 mJy (おそらくA_K=3.0で)減光補正なしではNIR flare amp ~ 0.6-1.3 mJy
Rise time typically ~1 minute
Decay timescale ~10 minutes(図から) NIR base flux ~3.02mJy(図から) Peak-to-peak ~ 37分
明⾔されていないが縦軸は恐らく減光補正前のvega magnitude.
これを想定すると記述通りフレアが~20mJyの振幅になる。

これまでのNIRの短時間変動 まとめ

Rothstein et al. 2005

論⽂では全て1⽇以内で変動している。(変動なしは論⽂化されない？)

NIR短時間変動のライトカーブまとめ

blue: GRS 1915+105
gray: 周りの星論⽂では全て1⽇以内で変動している。(変動なしは論⽂化されない？)
2019-2020の観測でも1⽇以内での変動が受かった。
⼀⽅で、明らかな変動が⾒られなかった⽇もあった。
2020-08-30 (6時間)

2020-10-01 (5時間)直線じゃなくて正規分布でフィット
正規分布x8 + 定数 で⼀気にフィットしてみた。
Ampが正確に分からない。
⾮対称なフレアに対応できなさそう(左から3番⽬とか)フレア1個1個に対して⽬視で開始時刻・終了時刻を決めて直線フィット。
上⼿くいっていそう。