IRON K-LINE EMISSION FROM X-RAY BINARIES

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Submitted on 1 Jan 1988

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IRON K-LINE EMISSION FROM X-RAY BINARIES

K. Masai, S. Hayakawa, F. Nagase

To cite this version:

K. Masai, S. Hayakawa, F. Nagase. IRON K-LINE EMISSION FROM X-RAY BINARIES. Journal

de Physique Colloques, 1988, 49 (C1), pp.C1-47-C1-50. �10.1051/jphyscol:1988107�. �jpa-00227427�

JOURNAL DE PHYSIQUE

C o l l o q u e C l , S u p p l e m e n t a u n03, Tome 4 9 , Mars 1 9 8 8

IRON K-LINE EMISSION FROM X-RAY BINARIES

K. MASAI, S . HAYAKAWA* and F. NAGASE'

Institute of Plasma Physics, Nagoya 464, Japan

and " ~ e p a r t m e n t of Astrophysics, Nagoya University, Nagoya 464, Japan

ABSTRACT E m i s s i o n mechanisms o f t h e i r o n K a - l i n e s i n X-ray b i n a r i e s a r e d i s c u s s e d i n r e l a t i o n w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c t e m p e r a t u r e

TX

o f c o n t i n u u m r a d i a t i o n t h e r e o f . The 6.7 keV l i n e is a s c r i b e d t o r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n f o l l o w e d b y c a s c a d e s i n a c o r o n a o f

-

100 eV f o r m e d a b o v e t h e a c c r e t i o n d i s k . T h i s mechanism i s a t t a i n e d f o r T x S l 0 keV a s o b s e r v e d f o r l o w mass X-ray b i n a r i e s . The 6.4 keV l i n e o b s e r v e d f o r b i n a r y X-ray p u l s a r s w i t h T x > l O k e V is l i k e l y d u e t o f l u o r e s c e n c e o u t s i d e t h e He I1 i o n i z a t i o n f r o n t .

1. I n t r o d u c t i o n

An e m i s s i o n l i n e f e a t u r e h a s b e e n f o u n d a r o u n d 6-7keV i n t h e s p e c t r a o f s e v e r a l X-ray b i n a r y s o u r c e s . R e c e n t o b s e r v a t i o n s w i t h g a s s c i n t i l l a t i o n p r o p o r t i o n a l c o u n t e r s (GSPCs) a b o a r d TENMA a n d EXOSAT c o n f i r m e d t h e i r o n K a - l i n e emission. W i t h a n e n e r g y r e s o l u t i o n o f GSPC, -10% a t CkeV, n=1-2 t r a n s i t i o n s o f v a r i o u s i o n i c s t a t e s o f i r o n c a n n o t b e r e s o l v e d a n d a r e o b s e r v e d i n a blend. However, t h e mean e n e r g y , t h e l u m i n o s i t y a n d t h e e q u i v a l e n t w i d t h t h e r e o f c a n p r o v i d e a g o o d t o o l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e t h e r m a l s t r u c t u r e of a plasma s u r r o u n d i n g a c o m p a c t X-ray s o u r c e .

The i r o n K a - l i n e e m i s s i o n o b s e r v e d w i t h GSPCs may b e c l a s s i f i e d i n t o t w o g r o u p s a c c o r d i n g t o t h e c e n t e r e n e r g y o f t h e b l e n d , -6.7keV o r * 6.3 keV. T h e d i f f e r e n c e i n t h e mean e n e r g y i m p l i e s a d i f f e r e n c e i n t h e i r o n i o n i z a t i o n s t a t e a n d p o s s i b l y i n t h e t h e r m a l s t r u c t u r e o f t h e .emission r e g i o n . I t is o f i n t e r e s t t h a t t h e 6.7 keV e m i s s i o n i s f o u n d f o r l o w mass X-ray b i n a r i e s , w h i l e t h e 6.4 keV e m i s s i o n is f o r b i n a r y X-ray p u l s a r s . The c o n t i n u u m s p e c t r u m is d i f f e r e n t f r o m e a c h o t h e r o f t h e s e t w o g r o u p s ; t h e s p e c t r a o f t h e f o r m e r a n d t h e l a t t e r a r e r e p r e s e n t e d b y t h e b l a c k b o d y a n d by t h e power-law t y p e s , r e s p e c t i v e l y .

I n t h e p r e s e n t p a p e r , we r e v i e w t h e 6.7 keV e m i s s i o n p r o c e s s e s i n c o m p a r i s o n w i t h t h e 6.4 keV e m i s s i o n r e f e r r i n g t o o u r p r e v i o u s w o r k s o n X-ray binaries')-4). The l i n e e m i s s i o n p r o c e s s e s a r e d i s c u s s e d i n r e l a t i o n w i t h t h e c o n t i n u u m s p e c t r a b e c a u s e t h e t h e r m a l s t r u c t u r e o f t h e l i n e e m i s s i o n r e g i o n may b e c h a r a c t e r i z e d t h e r e b y .

2. T h e r m a l s t r u c t u r e o f t h e l i n e e m i s s i o n r e q i o n

The 6.7 keV e m i s s i o n c a n b e a t t r i b u t e d t o i r o n i o n i z e d a s h i g h l y a s H e - l i k e (Fe XXV) b e c a u s e it i s c l o s e t o t h e r e s o n a n c e l i n e o f F e XXV i n e n e r g y . F o r 4U1608-52 w h i c h i s o n e o f l o w mass X-ray b i n a r i e s , t h e r e s i d u a l f l u x a t 4-10 k e v o v e r t h e b e s t - f i t model c o n t i n u u m is shown i n Fig. 14), w h e r e t h e e m i s s i o n f e a t u r e a r o u n d 6.7 keV i s o b v i o u s . Such a I(a-line c a n b e e m i t t e d t h r o u g h c o l l i s i o n a l e x c i t a t i o n a n d d i e l e c t r o n i c r e c o m b i n a t i o n i n o p t i c a l l y t h i n p l a s m a s o f l-lOkeV a s i n s o l a r f l a r e s a n d tokamaks. However, t h i s is n o t t h e c a s e f o r X-ray b i n a r i e s . When p h o t o i o n i z a t i o n d o m i n a t e s , t h e t h e r m a l e n e r g y o f e l e c t r o n s is s m a l l e r t h a n t h e e n e r g y t o m a i n t a i n t h e i o n i z a t i o n d e g r e e a n d t h e a b o v e e m i s s i o n p r o c e s s e s a r e s i g n i f i c a n t l y s u p p r e s s e d . I n o r d e r t h a t t h e p h o t o i o n i z a t i o n by X-rays is i n s i g n i f i c a n t , we h a v e n

n$ > n ~ $

-

1 . 7 ~ 1 0 ~ ~ ( L / I O ~ ~ ~ erg S-') ( ~ x / 5 k e ~ ) - l cm-', (1)

w h e r e L a n d Tx a r e t h e l u m i n o s i t y a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c r a d i a t i o n t e m p e r a t u r e o f t h e X-ray s t a r , a n d n a n d R t h e d e n s i t y o f t h e plasma s u r r o u n d i n g t h e X-ray s t a r a n d t h e d i s t a n c e t h e r e f r o m , r e s p e c t i v e l y .

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1988107

C 1-48 JOURNAL

DE

PHYSIQUE

T h e e m i s s i o n m e a s u r e r e q u i r e d f o r t h e i r o n K a - l i n e l u m i n o s i t y Lg is e s t i m a t e d t o b e

$(R3-@) > 2 . 4 ~ 1 0 ~ ~ ( L K / I O ~ ~ e r g S-') a - 3 , (2) f o r t h e maximum e m i s s i v i t y o f

-

10-24 e r g c m 3 S-' a t t a i n e d a t

-

7 keV. From eqs. (1) a n d ( 2 ) we o b t a i n a c o n s t r a i n t t o th.e s i z e o f s u c h a h o t plasma,

R > 1 . 5 ~ 1 0 " ( ~ g / 1 0 ~ ~ e r g S - ? - ' ( L / I O ~ ~ ~ e r g s-$'(~,y/5 k e ~ ) - ~ cm, (3) w h i c h i s c o m p a r a b l e t o o r l a r g e r t h a n t h e b i n a r y s e p a r a t i o n . Hence, o p t i c a l l y t h i n h o t p l a s m a s c a n n o t b e r e s p o n s i b l e f o r t h e i r o n K a - l i n e s o f X-ray b i n a r i e s .

F o r a n o t h e r s i t e o f t h e 6.7 keV e m i s s i o n , we c o n s i d e r a ~ o r o n a ~ ) ~ ) e x t e n d i n g o v e r t h e a c c r e t i o n d i s k s u r f a c e w h i c h t e n d s t o b e R a y l e i g h - T a y l o r u n s t a b l e b y X-ray i r r a d i a t i o n . I n s u c h a p h o t o i o n i z e d plasma, t h e t h e r m a l s t r u c t u r e c a n b e c h a r a c t e r i z e d b y a f a m i l i a r p a r a m e t e r , = L/nR2, a n d b y Tx o n a c c o u n t o f t h e i o n i z i n g X-ray p h o t o n f l u x o . Assuming t h e a x i a l s y m m e t r y f o r t h e a c c r e t i o n d i s k , we i n t r o d u c e a c y l i n d r i c a l c o o r d i n a t e (r,h), w h e r e = r2

+

^{h2. W e} d e n o t e b y T t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f a c c r e t i o n d i s k c o r o n a (ADC) a n d d e f i n e

S = d l n T/d l n E. From t h e h y d r o s t a t i c b a l a n c e e q u a t i o n , t h e d e n s i t y o f ADC is a p p r o x i m a t e l y o b t a i n e d as,

w h e r e To=T(r,O), a n d G, m, p a n d

M

a r e t h e g r a v i t a t i o n a l c o n s t a n t , t h e h y d r o g e n mass, t h e mean m o l e c u l a r w e i g h t a n d t h e mass o f t h e X-ray s t a r , r e s p e c t i v e l y .

S i n c e t h e v a l u e o f S d e p e n d s o n TX t h r o u g h T, we s o l v e d t h e t h e r m a l b a l a n c e e q u a t i o n , w h e r e t h e Compton s c a t t e r i n g , h e a t i n g d u e t o p h o t o a b s o r p t i o n , a n d c o o l i n g d u e t o f r e e - f r e e , f r e e - b o u n d a n d bound-bound e m i s s i o n w e r e t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n f o r H, H e , 0, S i a n d Fe i n t h e i r c o s m i c a b u n d a n c e s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e t h e r m a l b a l a n c e o n l y b e t w e e n t h e Compton s c a t t e r i n g a n d t h e f r e e - f r e e e m i s s i o n g i v e s S = 2. T ( f ) a n d t h e [ < a - l i n e e m i s s i v i t y t h u s o b t a i n e d a r e shown f o r t h e v a r i o u s v a l u e s o f Tx i n Fig. 2(a). The e m i s s i v i t y d e c r e a s e s w i t h Tx. F o r Tx 10 k e v , S i s l a r g e r t h a n u n i t y a t a b o u t a v a l u e o f

c

w h i c h g i v e s a maximum e m i s s i v i t y . Then a g r a v i t a t i o n a l l y bound c o r o n a i s n o t a t t a i n a b l e b e c a u s e dn/dh > 0. T h i s r e s u l t may s u g g e s t t h a t t h e 6.7 keV e m i s s i o n i s r e s t r i c t e d t o t h e s o u r c e s w h i c h h a v e s o f t s p e c t r a l i k e a b l a c k b o d y o f a f e w keV, a s o b s e r v e d f o r l o w mass X-ray b i n a r i e s . I n o t h e r w o r d s , t h e 6.7 keV e m i s s i o n is n o t e x p e c t e d f o r t h e s o u r c e s w i t h h a r d s p e c t r a o f TX > 10 keV.

3. L i n e e m i s s i o n p r o c e s s e s

A t o m i c p r o c e s s e s f o r t h e 6.7 keV e m i s s i o n i n ADC a r e v e r y d i f f e r e n t f r o m t h o s e i n a h o t plasma. A s a n e x a m p l e , we c o n s i d e r t h e c a s e of Tx = 5 keV, f o r w h i c h t h e r e l a t i v e i o n a b u n d a n c e s o f i r o n a r e shown i n Fig. 21b). S i n c e T is s o l o w a s

-

^{100 e V} a t l o g

C

= 3.6 w h e r e t h e e m i s s i v i t y is maximum, r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n t a k e s p l a c e t o t h e l e v e l s a s h i g h a s n = 8 a n d i s f o l l o w e d b y c a s c a d e s t o t h e l o w e r l e v e l s . I t i s o f p a r t i c u l a r i m p o r t a n c e t h a t r e c o m b i n a t i o n t o U p e r t r i p l e t s t a t e s o f H e - l i k e i o n e n h a n c e s t h e p o p u l a t i o n s o f l s 2 p

E,

P a n d l s 2 s 3 s t h r o u g h c a s c a d e s , a n d r e s u l t s i n t h e i n t e r c o m b i n a t i o n l i n e s (6.67 keV) a n d t h e f o r b i d d e n l i n e (6.63 keV), r e s p e c t i v e l y . A s a r e s u l t , t h e e f f e c t i v e r a t e o f r e c o m b i n a t i o n t o t h e s e l e v e l s becomes

-

61% o f r e c o m b i n a t i o n t o a l l l e v e l s , w h i l e t h e e f f e c t i v e r a t e t o l s 2 p 1 p r e s u l t i n g i n t h e r e s o n a n c e l i n e (6.70 keV) i s o n l y

-

13% b e c a u s e r e c o m b i n a t i o n t o u p er

P

'P l e v e l s i s s u b s t a n t i a l l y f o l l o w e d b y t h e d i p o l e t r a n s i t i o n t o t h e S g r o u n d s t a t e . S i m i l a r l y f o r t h e H - l i k e r e s o n a n c e l i n e (6.97keV), t h e e f f e c t i v e r e c o m b i n a t i o n r a t e t o 2 p 2 p is

-

15%. Thus, i n a p h o t o i o n i z e d p l a s m a t h e mean e n e r g y o f t h e s e l i n e s is l o w compared t o a t h i n h o t plasma, b e c a u s e o f l a r g e c o n t r i b u t i o n of t h e i n t e r c o m b i n a t j o n a n d t h e f o r b i d d e n l i n e s . F l u o r e s c e n c e [(a-lines are a l s o t a k e n i n t o a c c o u n t i n Fig. 2la)- T h e i r c o n t r i b u t i o n is less t h a n 16% o f t o t a l K a e m i s s i v i t y a t l o g

C -

3.6, a n d i n c r e a s e s t o w a r d s s m a l l

c

^{t o b e}

-

100% a t l o g 5 2.3 a s t h e i o n i z a t i o n d e g r e e d e c r e a s e s . The mean e n e r g y o f K a - l i n e s m o n o t o n i c a l l y i n c r e a s e s w i t h

E,

a n d v a r i e s s l o w l y a r o u n d 6.63 keV s i n c e t h e H e - l i k e f o r b i d d e n l i n e i s p r o d u c e d b y b o t h o f r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n a n d f l u o r e s c e n c e .

The o p t i c a l t h i c k n e s s o f t h e Kci-line e m i s s i o n r e g i o n is n e g l i g i b l y s m a l l . However, t h e X-rays w h i c h i o n i z e t h e o u t e r d i s k s u r f a c e a r e s c a t t e r e d t h r o u g h t h e i n n e r h o t r e g i o n . T a k i n g t h e o p a c i t y i n t o a c c o u n t , we i n t e g r a t e t h e e m i s s i v i t y w i t h eq. (4) t o o b t a i n t h e Kci-line l u m i n o s i t y as,

LK = 3 . 5 ~ 1 0 ~ ~ ( P I / P I , , - V ~ ( T / I O O ,V> ' / 2 ( r / l ~ 9 ~ r n > - ' / ~ ( f / l o ~ ~ > - ~

x ( L / I o ~ ~ " e r g s - ' ) ~ exp ( - L / L o ) e r g S-'. ( 5 ) H e r e M, is t h e s o l a r mass, a n d ^{L 0} is t h e l u m i n o s i t y d e f i n e d a s ,

Lo = < r / 2 a ~

-

? . ~ x ~ o ~ ~ ( < / ~ o ~ ) ( ~ / I o ~ cm) erg

S-!

⁽⁶⁾

w h e r e o~ is t h e Thomson s c a t t e r i n g c r o s s s e c t i o n . The [&-line l u m i n o s i t y c a l c u l a t e d f o r t h e p a r a m e t e r s o f 4U1608-52 is shown i n Fig.34). A g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e o b s e r v a t i o n is o b t a i n e d f o r r

-

3 ~ 1 0 ~ c m . The mean e n e r g y o f K a - l i n e s i s c a l c u l a t e d t o b e 6.67 keV, w h i c h a l s o a g r e e s w e l l w i t h t h e o b s e r v e d v a l u e o f 6.66e0.05 keV.

,-

^{4 . 0 -}

I

E

2:

r(

v 2.0

W

-

^3.0

X %

4

-

^{2 . 5}

[r

4 0.0 ^m

a 3 2.0

a E) .rl

a,

=-2.0

4 6 8 10 4

-

Energy (kev) m

F i g . 1 R e s i d u a l f l u x o v e r t h e b e s t - f i t

-5

r model c o n t i n u u m f o r 4U 1608-52.

C

ca -11.5

\ n

m

4

-12 .O

a -0.5

CN _{c -1.0}

...

E

^-1.5

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

1-3 5

Fig. 2 (a) R a d i a t i o n t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e s o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e - a n d i r o n Ka e m i s s i v i t y i n f-space.

1oS5

_

f

Cn W

J

tos4

0

tos7 10 (b) R e l a t i v e i o n a b u n d a n c e s o f i r o n f o r Tx = 5 kev.

L,,, (wg S-')

F i g . 3 C o n t i n u u m l u m i n o s i t y d e p e n d e n c e o f i r o n / ( a - l i n e l u m i n o s i t y c a l c u l a t e d f o r Lo = 1 . 5 ~ 1 0 ~ e r g S-\ a n d r/lo9 c m = O.l(a), 0.3(b) a n d l.O(c). T h e c r o s s e s r e p r e s e n t t h e o b s e r v e d r e s u l t s f o r 4U 1608-52.

I ' " " " ' I 4U 1608-52

-

-

{p! ^-

^-

7

' ' ' ' ' ' ^"

C 1 9 0 JOURNAL DE PHYSIQUE

The 6.4 keV e m i s s i o n i s u s u a l l y accompanied b y a n a b s o r p t i o n f e a t u r e a r o u n d Z 7 keV. I n t h e r e g i o n o f l o g

-=

^2, t h e o p a c i t y d u e t o a b u n d a n t e l e m e n t s s u c h a s H e a n d H becomes s i g n i f i c a n t . The i o n s w h i c h h a v e t h e i o n i z a t i o n p o t e n t i a l s a l i t t l e a b o v e t h e H e 11 e d g e a r e bound j u s t o u t s i d e t h e H e l1 i o n i z a t i o n f r o n t , b e c a u s e t h e a b s o r p t i o n t h e r e b y r a p i d l y d e c r e a s e s t h e i o n i z i n g photons. Hence, i r o n o f t h e i o n i z a t i o n d e g r e e l o w e r t h a n F e X is r e s p o n s i b l e f o r t h e a b s o r p t i o n 2 ' , a n d may b e f o r t h e 6.4 keV emi.ssion t h r o u g h t h e f l u o r e s c e n c e . On t h e b a s i s o f t h e f l u o r e s c e n c e i n a stellar wind, a model c a l c u l a t i o n f o r t h e V e l a X-l s y s t e m w e l l s i m u l a t e t h e o r b i t a l d e p e n d e n c e o f 6.4 keV e m i s s i o n a n d a c c o u n t f o r t w o t h i r d s o f t h e o b s e r v e d i n t e n s i t y 3 ) . F l u o r e s c e n c e o f l o w e r i o n i z e d i r o n is l i k e l y t o a c c o u n t f o r t h e 6.4 keV e m i s s i o n o f t h e X-ray b i n a r i e s w h i c h h a v e h a r d s p e c t r a l i k e a power-law o f Tx > 10 keV, as o b s e r v e d f o r b i n a r y X-ray p u l s a r s .

Ref e r e n c e s

11 Masai, K. 1984, A s t r o p h y s . S p a c e Sci.,

106,

391.

2) Nagase, F., Hayakawa, S., S a t o , N., Masai, K., a n d Inoue, H. 1986, Publ. A s t r o n . Soc. J a p a n ,

La,

547.

31 S a t o , N., Hayakawa, S., ~ a g a s e , F., Masai K., D o t a n i , T., Inoue, H., Makino, F., Makishima, K., a n d Ohashi, T. 1986,

Publ. A s t r o n . Soc. J a p a n , 38, 731.

41 Hirano, T., Hayakawa, S., Nagase, F., Masai, K., a n d Mitsuda, K. 1987, Publ. A s t r o n . Soc. J a p a n , 39, 601.

5 ) White, N.E., Peacock, A., a n d Taylor, B.G. 1985, Astrophys. J., 296, 475.