準周期振動（天文学）

X線天文学において、準周期振動（QPO ）とは、天体から放射されるX線が特定の周波数付近で明滅する現象のことである。 ^{[1]このような状況では、X線は、}白色矮星、中性子星、ブラックホールなどのコンパクトな天体にガスが渦巻く降着円盤の内縁付近から放射される。^[2]

QPO 現象は、天文学者が降着円盤の最も内側の領域や、白色矮星、中性子星、ブラックホールの質量、半径、回転周期を理解するのに役立つことが期待されています。QPO は、重力が最も強いとき、または回転が最も速いとき (レンズ・サーリング効果と呼ばれる現象が作用するとき) にニュートンの重力理論と最も異なる予測を行うアルバート・アインシュタインの一般相対性理論をテストするのに役立つ可能性があります。ただし、QPO のさまざまな説明は依然として議論の余地があり、研究から得られた結論は暫定的なままです。

QPO は、X 線の時系列のパワー スペクトルを実行することによって識別されます。物体の光をサンプリングするランダムな変動から、一定レベルのホワイト ノイズが予想されます。QPO を示すシステムは、パワー スペクトルで連続曲線として表示される非周期的なノイズも示すことがあります。周期的な脈動は、パワー スペクトルで、正確に 1 つの周波数 (十分に長い観測をした場合のディラックのデルタ関数) でのパワーのピークとして表示されます。一方、QPO は、より広いピークとして表示され、ローレンツ形状になることもあります。

QPO は、どのような時間的変化によって発生するのでしょうか。たとえば、振動ショットのパワー スペクトルは、QPO とともにノイズの連続体として現れます。振動ショットは、突然始まり指数関数的に減少する正弦波の変化です。振動ショットが観測された QPO を引き起こすシナリオには、回転する弱く磁化された中性子星の周りを周回するガスの「塊」が関係している可能性があります。塊が磁極に近づくたびに、より多くのガスが集積し、X 線が増加します。同時に、塊の質量が減少するため、振動は減衰します。

多くの場合、パワー スペクトルは複数の時間間隔から形成され、その後合計されて初めて QPO が統計的に有意であると判断されます。

QPOは最初に白色矮星系で特定され、その後中性子星系でも特定されました。^{[3] [4]}

当初、QPO を持つことが判明した中性子星系は、脈動を持つことが知られていないクラス (Z 源および環礁源) のものでした。そのため、これらの中性子星の自転周期は不明でした。これらの中性子星は磁場が比較的低いため、降着パルサーのようにガスが磁極にほとんど落ち込むことはないと考えられています。磁場が非常に低いため、降着円盤は磁場によって乱される前に中性子星に非常に近づくことができます。

これらの中性子星のスペクトル変動は、QPO の変化に対応していることがわかりました。典型的な QPO 周波数は、約 1 ～ 60  Hzであることがわかりました。最も速い振動は、水平分岐と呼ばれるスペクトル状態で見つかり、ディスク内の物質の回転と崩壊した星の回転の組み合わせの結果であると考えられました (「ビート周波数モデル」)。通常分岐とフレア分岐の間、星はエディントン光度に近づき、放射の力が降着ガスをはじくことができると考えられました。これにより、まったく異なる種類の振動が発生する可能性があります。

1996 年に開始されたRossi X 線タイミング エクスプローラーによる観測では、より速い変動を検出できるようになり、中性子星とブラックホールが最大 1000 Hz 程度の周波数の QPO を持つ X 線を放射していることが判明しました。多くの場合、ほぼ同じパワーの 2 つの振動が高振幅で現れる「ツイン ピーク」QPO が見つかりました。これらの高周波数 QPO は、低周波数 QPO に関連する動作を示す可能性があります。^[5]

QPOはブラックホールの質量を決定するのに使用できます。^[6]この技術は、ブラックホールと、事象の地平線に到達する前にガスが内側に螺旋状に移動する周囲のディスクの内側部分との関係を使用します。高温のガスがブラックホールの近くに蓄積し、X線の奔流を放射します。その強度は、ほぼ一定の間隔で繰り返されるパターンで変化します。この信号がQPOです。天文学者は長い間、QPOの周波数はブラックホールの質量に依存すると疑っていました。小さなブラックホールの場合、輻輳ゾーンは近くにあるため、QPOクロックの刻みは速くなります。ブラックホールの質量が増加すると、輻輳ゾーンはさらに外側に押しやられるため、QPOクロックの刻みはますます遅くなります。

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