低質量X-光雙星4U 1820-30 X-光超軌道光變穩定性之研究

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研究生：	吳君磊 Jun-Lei Wu
論文名稱：	低質量X-光雙星4U 1820-30 X-光超軌道光變穩定性之研究 The Study of the Stability of Superorbital Modulation in the Low-Mass X-ray Binary 4U 1820-30
指導教授：	周翊 Yi Chou
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 天文研究所 Graduate Institute of Astronomy
論文出版年：	2025
畢業學年度：	113
語文別：	中文
論文頁數：	109
中文關鍵詞：	低質量X-光雙星、超軌道光變、X-光爆發、吸積
外文關鍵詞：	Low-mass X-ray binary, Superorbital modulation, X-ray burst, Accretion
相關次數：	點閱：17 下載：0
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4U 1820-30 為一坐落於球狀星團 NGC6624 中心附近的低質量 X 光雙星系統，該系統由一中子星及白矮星組成，雙星軌道週期為 685 秒，除了雙星軌道週期外，另外存在一約 170 天的 X-光超軌道光變週期，Chou & Grindlay (2001)計算出此超軌道光變週期為 171.033 天以及週期變化率上限 P˙/P < 2.2 × 10−4 yr^−1 認為該週期是穩定的，以階級性三星系統來解釋其週期穩定性。
本論文之主要研究方向為研究該系統的 170 天的超軌道光變週期穩定性，利用 Ginga、RXTE、Swift、MAXI 以及 Fermi 等不同時期的 X 光望遠鏡的觀測數據來分析，資料的時間跨度從 1987 年至 2024 年，共 37 年。
功率譜分析的結果顯示，在這 37 年間，4U 1820-30 的超軌道光變週期從 171 天下降至 166 天，根據近一步的相位分析，本研究提出超軌道光變週期兩種可能的變化模型: 突變模型與二次曲線模型，突變模型顯示 4U 1820-30 的超軌道光變週期可能在MJD52502.83 ± 609.55 突然變化，由原先的 170.78 ± 0.79 天變化至 167.46 ± 0.18 天；而二次曲線模型則假設 4U 1820-30 的超軌道光變週期為連續變化，所得出的週期變化率為P˙ /P = (−8.41±1.58) ×10−4 yr^−1，遠大於Chou & Grindlay (2001)計算出的週期變化率上限。
種種跡證說明 4U 1820-30 的超軌道光變週期遠不如三星模型想像中的穩定，嚴重的挑戰了階級性三星模型，根據Zdziarski et al. (2007b)的發現，685 秒軌道光變週期振輻與相位與吸積率間存在相關性，這說明超軌道光變來源於伴星質量損失率變化，本研究使用RXTE、NICER 的觀測數據再次驗證了這項關係，根據以上結果，本研究提出輻照不穩定假說來解釋超軌道光變的變化。

4U 1820-30 is a low-mass X-ray binary system located near the center of the globular cluster NGC6624. This system is composed of a neutron star and a white dwarf with an orbital period of ~685 s. Except for this orbital period, 4U 1820-30 also exhibits a superorbital period of ~170 days. Chou & Grindlay (2001) observed a 171.033-day superorbital period and a period derivative upper limit P˙/P < 2.2 × 10−4 yr^−1.
They concluded this period is stable and explained it by a
hierarchical triple system.
This research is to verify the stability of the 170-day superorbital period of 4U 1820-30. We collected the light curves observed from different eras, by the instruments: Ginga, RXTE, Swift, MAXI, and Fermi, total time span of 37 years, from 1987 to 2024.
From power spectral analysis, we discovered that the superorbital modulation of 4U 1820-30 decreased from 171 days to 166 days during these 37 years. The phase analysis revealed that the superorbital phase evolution can be described by the glitch and the quadratic models. The
glitch model implies that the superorbital could suddenly change on MJD52502.83 ± 609.55 from 170.78 ± 0.79 days to 167.46 ± 0.18 days. The quadratic model assumed that the superorbital period changes smoothly. A significant period derivative evaluated from phase evolution is P˙ /P =
(−8.41 ± 1.58) × 10−4 yr^−1, inconsistent with the result from Chou & Grindlay (2001). We conclude that the superorbital period of 4U 1820-30 is not as stable as the prediction of the triple model, which strongly challenges this model. On the other hand, according to the discovery of Zdziarski et al. (2007b), the orbital modulation is correlated to the accretion rate. This implies
that the superorbital modulation is induced by the mass-loss rate variation from the companion.
We further analyzed the RXTE and NICER data and confirmed Zdziarski et al. (2007b) result. Therefore, we proposed the irradiation-induced instability scenario to explain the variation of the superorbital modulation period.

目錄
中文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
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表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
專有名詞對照表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
第一章 緒論 (Introduction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1-1 X-光雙星 (X-ray binary) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1-1-1 高質量 X-光雙星 (High Mass X-ray Binary, HMXB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1-1-2 低質量 X-光雙星 (Low Mass X-ray Binary, LMXB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1-2 第一型 X-光爆發 (Type I X-ray burst) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1-3 X-光超軌道光變 (Superorbital modulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1-4 低質量 X-光雙星 4U1820-30 之簡介 (Introduction to LMXB 4U 1820-30) . . . . . . . . . . . . . . 9
1-5 論文概論 (Outline of this thesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
第二章 觀測資料與數據處理 (Observation and data reduction) . . . . . . . . . . . . 13
2-1 Ginga 觀測衛星簡介 (Introduction of Ginga) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2-2 RXTE 觀測衛星簡介 (Introduction of RXTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2-2-1 全天監測器 ASM 簡介 (Introduction of ASM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2-2-2 正比計數器陣列 PCA 簡介 (Introduction of PCA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2-3 Swift 觀測衛星簡介 (Introduction of Swift) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2-4 MAXI 觀測衛星簡介 (Introduction of MAXI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2-5 Fermi 觀測衛星簡介 (Introduction of Fermi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2-6 NICER 觀測衛星簡介 (Introduction of NICER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2-7 觀測資料 (Observation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2-8 數據處理 (Data reduction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
第三章 X-光超軌道光變週期之穩定性 (The Stability of Superorbital modulation period) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3-1 週期性 (Periodicity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3-1-1 Lomb-Scargle 功率譜 (Lomb-Scargle power spectrum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3-1-2 各觀測衛星功率譜 (Power spectrum of each observation satellite) . . . . . . . . . . . . . . . 38
3-1-3 動態頻譜 (Dynamic power spectrum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3-2 相位分析 (Phase analyze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3-2-1 疊加光變曲線 (Folded light curve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3-2-2 相位偏移 (Phase shift) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3-2-3 擬合模型 (Fitting models) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3-3 星曆表與結果比較 (Ephemerides and result comparison) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3-4 X-光爆發時間與 X-光超軌道光變最小值之相關性 (Correlation between X-ray burst time
and superorbital modulation minimum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
第四章 X-光軌道光變與超軌道光變之關係 (Relations between orbital modulation and superorbital modulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4-1 數據處理與篩選 (Data reduction and filtering) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4-2 吸積率與軌道光變間相關性 (Correlation between accretion rate and orbital modulation) 65
4-3 二種光變間的相關性 (Correlation between two modulations) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
第五章 討論 (Discussions) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5-1 超軌道光變週期穩定性 (Superorbital modulation period stability) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5-2 超軌道光變可能的機制 (Probably mechanism of superorbital modulation) . . . . . . . . . . . . . . 74
5-3 低功率期與超軌道光變週期 (Low power state and superorbital modulation period) . . . . . 77
第六章 結論 (Conclusions) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
參考文獻 (References) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
附錄 (Appendix) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
A、二次曲線星曆表的推導 (Derive of quadratic ephemeris) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
B、重力輻射軌道週期變化率推導 (Derive of period derivative of gravitational radiation) . . . 86

                                

Barthelmy, S.D. et al. 2005, Space Sci. Rev. 120, 143
Baumgardt, H. & Vasiliev, E. 2021, MNRAS, 505, 5957
Charles, P. et al. 2008, New Astron. Rev., 51, 768
Chou, Y. & Grindlay, J. E. 2001, ApJ, 563, 934(CG01)
Chou, Y. & Jhang, Y. 2023, ApJ, 951, 42
Clark, G. W. et al. 1976, ApJ, 207, L105
Clark, G. W. et al. 1977, MNRAS, 179, 651
Cornelisse, R. et al. 2003, A&A, 405, 1033
Farrell, S. A. et al. 2009, MNRAS, 393, 139
García, F. et al. 2013, MNRAS, 429, 3266
Gendreau, K. et al. 2024, ”NICER: The Neutron Star Interior Composition Explorer”, Handbook
of X-ray and Gamma-ray Astrophysics. Springer, Singapore.
Giacconi, R. et al. 1974, ApJS, 27, 37
Grindlay, J. E. et al. 1976, ApJ, 205, L127
Grindlay, J. E. 1986, The Evolution of Galactic X-Ray Binaries, 167, 25
Grindlay, J. E. 1988, in IAU Symp. 126, The Harlow-Shapley Symposium on Globular Cluster
Systems in Galaxies, Cambridge Univ. Press, 347
Haberl, F. et al. 1987, ApJ, 314, 266
Horne J. H. & Baliunas S. L. 1986, ApJ, 302, 757
in’t Zand, J. et al. 2011, ATel, 3625, 1
Jahoda, K. et al. 2006, ApJS, 163, 401
Jain, C. & Paul, B. 2011, MNRAS, 413, 2
Jain, C. et al. 2022, MNRAS, 517, 2131
Jaisawal, G. K. et al. 2024, ApJ, 975, 67
Kotze, M. M. & Charles, P. A. 2012, MNRAS, 420, 1575
Langmeier, A. et al. 1987, ApJ, 323, 288
Levine, A. M. et al. 1996, ApJ, 469, L33
Lomb, N. R. 1976, ApJS, 39, 447
Makino, F. 1990, ASSL, 166, 41M
Matsuoka, M. et al. 2009, PASJ, 61, 999
Mazeh, T. & Shaham, J. 1979, A & A, 77, 145
Meegan, C. et al. 2009, ApJ, 702, 791
Menou, K. et al. 2002, ApJ, 564, L81
Mihara, T. et al. 2011, PASJ, 63, S623
Pearson, K. J. 2007, MNRAS, 379, 183
Ponti, G. et al. 2017, MNRAS, 464, 840
Priedhorsky, W. & Terrell, J. 1983, ApJ, 273, 709
Priedhorsky, W. & Terrell, J. 1984, ApJ, 284, L17
Rappaport, S. et al. 1987, ApJ, 322, 842
Tournear, D. et al. 2003, ApJ, 595, 1058
Tsunemi, H. et al. 1989, PASJ, 41, 391
Scargle, J. D. 1982, ApJ, 263, 835
Serino, M. et al. 2021, ATel, 4871, 1(Serino et al.2021a)
Serino, M. et al. 2021, ATel, 5071, 1(Serino et al.2021b)
Seward, F. D. & Charles, P. A. 2010, ”Exploring the X-ray Universe Second Edition”, Camgridge
Univ. Press
Sˇimon, V. 2003, A&A, 405, 199
Smale, A. P. & Lochner, J. C. 1992, ApJ, 395, 582
Stella, L. et al. 1984, ApJ, 282, 713
Stella, L. et al. 1987, ApJ, 312, L17
Strohmayer, T. E. & Brown, E. F. 2002, ApJ, 566, 1045S
Vacca, W. D. et al. 1986, MNRAS, 220, 339
Wang, Z. & Chakarbarty, D. 2010, ApJ, 712, 653
Wen, L. et al. 2006, ApJS, 163, 372
Wolff, M. T. et al. 2009, ApJS, 183, 156
Yu et al. 2024, A&A, 683, A93
Zdziarski, A. A. et al. 2007, MNRAS, 377, 1006(Zdziarski et al. 2007a)
Zdziarski, A. A. et al. 2007, MNRAS, 377, 1017(Zdziarski et al. 2007b)
Zdziarski, A. A. et al. 2009, ”Orbital and superorbital variability and their coupling in X-ray binaries”, Astrophysics with All-Sky X-Ray Observations, Proceedings of the RIKEN Symposium
楊盛智,” 長期監測低質量 X-ray 雙星 4U1820-30 之軌道週期演化及運行機制”,2004, 國立中
央大學天文研究所碩士論文
張瑋芸,” 低質量 X 光雙星 4U1820-30 之長週期 X-ray 光變改變之研究”,2010, 國立中央大學
天文研究所碩士論文

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