ブラックホールX線連星の短時間変動
植村誠（広島⼤学 宇宙科学センター）
OISTER WS 2020 2020.11.12

アウトライン• ブラックホールX線連星の短時間変動• ２つの時系列データから共通成分を抽出する• ⼤間々、植村、池⽥、森井、⽇本天⽂学会2020年春季年会 W23b
• ⼤間々、植村、池⽥、森井、⽇本天⽂学会2020年秋季年会 W31a
• Omama, Uemura, Ikeda, & Morii, PASJ, in prep.

アウトライン• ブラックホールX線連星の短時間変動• ２つの時系列データから共通成分を抽出する• ⼤間々、植村、池⽥、森井、⽇本天⽂学会2020年春季年会 W23b
• ⼤間々、植村、池⽥、森井、⽇本天⽂学会2020年秋季年会 W31a
• Omama, Uemura, Ikeda, & Morii, PASJ, in prep.

ブラックホールX線連星©Science• 降着円盤の物理• Very high sate, high/soft state, low/hard state• 標準円盤、ADAF/RIAF、Slim disk

• ジェットと円盤の相互作⽤• ジェットが出る=very high state, low/hard state• ジェットが出ない＝high/soft state• 磁気流体シミュレーション• 多波⻑で観測• 電波：ジェット• 近⾚外線・可視光・紫外線：伴星、降着円盤、ジェット？
• X線：BH近傍の降着流、ジェット？

• 時間変動XTE J1118+480 (KV Uma):
X線と複雑に相関する可視光短時間変動
Spruit & Kanbach 2002

Kanbach+01, Nature, 414, 180可視光短時間変動はどこから？
©Dullemond• 可視光• 降着円盤外縁(r~10^5 Rsch)• ⿊体放射（標準円盤）• タイムスケール >数時間
• T~10^4 K• (soft) X線• 降着円盤内縁(r~10^0̶3 Rsh)• ⿊体放射（標準円盤, high/softstate）＋逆コンプトンなど（ADAF/RIAF, low/hard state)• タイムスケール 1 ‒ 100 Hz• X線で秒以下の変動が受かるのは普通だが、可視光では従来の描像では難し
い様々な相互相関関数
Swift J1753.5-0127
Hynes+09

GX 339-4
Gandhi+08

Swift J1753.5-0127
Durant+08

V404 Cyg
Gandhi+17

MAXI J1820+070
Paice+19

何が起きているのか？
• ~0.1秒X線が先⾏する信号• X線が円盤外縁で吸収・再放射？
• Gandhi+17• ジェットの中を電⼦が移動する時間• 吸収・再放射にしてはタイムラグが短か過ぎる• タイムラグほぼ無し？で反相関する信号• Malzac+04• 磁場に蓄えられたエネルギーが、1)X線として解放されるか、2)ジェットの中で可視光として解放されるか。

• Veledina+11• 粒⼦加速àX線フレア＆シンクロトロン
⾃⼰吸収で可視光は減光

Veledina+11

ULTRACAM と HiPERCAM• イギリスのグループが開発©ESO• イギリスのグループが開発• Dhillon+07• Dhillon+16• Frame-transfer CCD x 3• Frame-transfer CCD x 5• 2002~ WHT à NTT à VLT à タイ

• 2017~ WHT à GTC©ESO

現状の問題点• 可視光短時間変動の起源がわからない• どこで？ 降着円盤？ジェット？
• 順相関は何を意味する？ 吸収・再放射？
• 反相関は本当にある？ 何を意味する？

ジェット内の移動？

• 相互相関関数やクロススペクトル解析でできること• （周波数帯ごとに）タイムラグを伴った相関がありそうかどうか• 定常過程だと思って平均的な挙動を⾒ている• データからさらに情報を抽出できないか？
• 共通の信号成分が含まれてることが⽰唆されるなら、それらを分離して抜き出したい。
• 波形や成分ごとの相互相関関数• 共通信号の強度やタイムラグの時間変動

アウトライン• ブラックホールX線連星の短時間変動• ２つの時系列データから共通成分を抽出する• ⼤間々、植村、池⽥、森井、⽇本天⽂学会2020年春季年会 W23b
• ⼤間々、植村、池⽥、森井、⽇本天⽂学会2020年秋季年会 W31a
• Omama, Uemura, Ikeda, & Morii, PASJ, in prep.

共通成分解析(森井、池⽥、⽊⾢、植村、⽇本天⽂学会2017秋季年会 W105a）• （離散）逆フーリエ変換• 各フーリエ成分の (a, b, c, d) から以下の量が得られる• 振幅と位相• ２つの時系列データ（X線と可視光を想定）• タイムラグ• グループLASSOで共通するフーリエ成分を抽出• 共通性

(周波数, 振幅, タイムラグ, 共通性)を可視化• １つの丸が１つのフーリエ成分• 周波数＝⾊• 振幅＝縦軸• タイムラグ＝横軸• 共通性＝丸の⼤きさ• フーリエ成分が集中しているところ（タイムラグ＝5）に共通成分あり、とみなす• ヒストグラムが有⽤

成分分離と光度曲線の再構成• ⻑い期間では⾮定常だけど、短い区間なら定常とみなす。
• 光度曲線全体を短いフレームに分割• 今回の場合• 全データ＝Δt=0.05秒で1200秒（24,000点）• １フレーム 50秒• ステップ 1秒（20点）• ハン窓• フレームごとに• 共通成分解析から特定のタイムラグを持
つフーリエ成分を抽出• 逆フーリエ変換で光度曲線を再構成• 再構成した光度曲線は精度の⾼い真ん中
付近に重みを置いて平均して全てのフレームを⾜し合わせる

データ• GX 339-4 （Gandhi+08）• Low/hard state：アウトバーストから減光した直後の時期• X線データは 1ビン(0.05秒)で〜10カウント à ポアソンノイズが⽀配的• 前処理：Low-pass ﬁlter (FIR フィルタ）をかけて、2Hz以上のパワーを急速に落とす。

共通成分解析の結果（とある１フレーム）• 反相関：＋1〜２秒のあたり？
• 順相関：＋0.2秒？

タイムラグマップ• タイムラグの時間変化• ⾊は振幅• 反相関で+1〜2秒あたりに散発的な構造• 順相関で+0.15秒あたりに定常的な構造• これら２つの共通信号の光度曲線を再構成する

再構成された光度曲線• +0.15秒で順相関（オレンジ)• 期待通りの光度曲線• +1秒で反相関（⻘）• むしろ-1秒で順相関にも⾒える• 反相関ではなく、順相関なのかもしれない• X線が0.15秒先⾏して順相関す
る信号＝X-ray preceding signal(XPS)• 可視光が1秒先⾏して順相関す
る信号＝Optical precedingsignal (OPS)成分ごとの相互相関関数• XPS：+0.15秒に順相関のピーク• OPS：+1秒に反相関＆-1秒に順相関（possibly -3秒に反相関)• 抽出したのは反相関してたフーリエ成分なのに• XPS＋OPSの相互相関関数で、データの相互相関関数の特徴を説明できる。

XPSとOPSのパワースペクトル• XPS のタイムスケール• <0.5秒 (>2 Hz：⾼周波のパワーは前処理でフィルターかけて落としているので）• 実際は >2 Hzの⾼周波信号も XPSに含まれているだろう。このデータ
ではノイズに埋もれているけど。

• OPS のタイムスケール• ~5秒• パワーでは数⼗秒くらいまで卓越XPSとOPSの活動時期• 再構成された光度曲線の１フレーム内の標準偏差の時間変化• XPS, OPS共に活動的な時期とそうでない時期がある（⾮定常）• それぞれが活動的な時期は⼀致しない。
• ひょっとしたら OPSの活動時
期がXPSの活動時期に先⾏？

まとめ• ブラックホールX線連星で観測される、X線と相関した可視光短時間変動• X線が+0.15秒先⾏する順相関 ＆ 反相関？
• どこで何が起こっているのか？

• 共通信号成分の抽出と成分ごとの光度曲線解析(Omama, et al. in prep.)• GX 339-4：X線が+0.15秒先⾏する順相関、可視光が4秒先⾏する反相関、X線が1秒先⾏する反相関 (Gandhi+08)• ２つの反相関成分は、可視光が1秒先⾏する１つの順相関成分で説明できる。

• 新しい武器で、これまで得られなかった情報を抽出