Generation of X-ray radiation in the inner regions of accretion disks around black holes, neutron stars, and white dwarfs

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The most important temporal and spectral characteristics of X-ray radiation arising near black holes, neutron stars, and white dwarfs in the presence of matter accreting from the disk that surrounds the compact object are reviewed. It is shown how these characteristics are related to the physical parameters of these systems. A key characteristic of X-ray radiation is photon index $\Gamma$, defined as the slope of the emission spectrum in the energy range of 0.5–500 keV. If the compact object of a binary is a black hole, the X-ray radiation features saturation of the photon index (with increasing accretion rate), its value is ranging from 2 to 3. A correlation between $\Gamma$ and the quasi-periodic oscillation frequency, $\nu _QPO$, is revealed in these systems, which can be employed to independently determine the black hole mass using scaling method. The developed model of radiation transfer is now the basis of a scaling method which provides an independent estimate of mass also in the case of a supermassive black hole. The generated X-ray spectrum can be presented in a wide energy range as a combination of thermal, Comptonized, and Gaussian components that describe the emission lines. A model of radiative transfer in the vicinity of black holes and neutron stars can also explain the properties of the X-ray emission when the compact object is a white dwarf. The example of four dwarf novae, U Gem, SS Cyg, VW Hyi, and SS Aur, is used to show that the continuum of the X-ray spectrum of nonmagnetic cataclysmic variables can be described as a result of the Comptonization of soft photons on hot electrons of the accretion cloud that surrounds the white dwarf.

About the authors

Lev G. Titarchuk

Astro Space Center, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences

Elena Vladimirovna Mikheeva

Astro Space Center, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: helen@asc.rssi.ru
Candidate of physico-mathematical sciences

Vladimir Nikolaevich Lukash

Astro Space Center, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: lukash@asc.rssi.ru
ResearcherId: M-5306-2015
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

References

  1. Titarchuk L., Lapidus I., Muslimov A., Astrophys. J., 499 (1998), 315
  2. Patterson J., Raymond J. C., Astrophys. J., 292 (1985), 550
  3. Patterson J., Raymond J. C., Astrophys. J., 292 (1985), 535
  4. Williams G. A., King A. R., Brooker J. R. E., Mon. Not. R. Astron. Soc., 226 (1987), 725
  5. Mukai K., Publ. Astron. Soc. Pac., 129 (2017), 062001
  6. Titarchuk L., Astrophys. J., 434 (1994), 570
  7. Hua X.-M., Titarchuk L., Astrophys. J., 449 (1995), 188
  8. Titarchuk L., Lyubarskij Y., Astrophys. J., 450 (1995), 876
  9. Farinelli R. et al., Astrophys. J., 680 (2008), 602
  10. Montanari E., Titarchuk L., Frontera F., Astrophys. J., 692 (2009), 1597
  11. Sunyaev R. A., Titarchuk L. G., Astron. Astrophys., 86 (1980), 121
  12. Иванов П. Б. и др., УФН, 189 (2019), 449
  13. Shaposhnikov N., Titarchuk L., Astrophys. J., 699 (2009), 453
  14. Titarchuk L. et al., Astron. Astrophys., 633 (2020), A73
  15. Farinelli R., Titarchuk L., Astron. Astrophys., 525 (2011), 102
  16. Seifina E., Titarchuk L., Astrophys. J., 738 (2011), 128
  17. Maiolino T. et al., Astrophys. J., 911 (2021), 80
  18. Titarchuk L., Seifina E., Shrader C., Astrophys. J., 789 (2014), 98
  19. Belloni T., AIP Conf. Proc., 797 (2005), 197
  20. Remillard R. A., McClintock J. E., Annu. Rev. Astron. Astrophys., 44 (2006), 49
  21. Klein-Wolt M., van der Klis M., Astrophys. J., 675 (2008), 1407
  22. Shaposhnikov N., Titarchuk L., Astrophys. J., 643 (2006), 1098
  23. Titarchuk L., Fiorito R., Astrophys. J., 612 (2004), 988
  24. Shaposhnikov N., Titarchuk L., Astrophys. J., 663 (2007), 445
  25. Miller-Jones J. C. A. et al., Science, 371 (2021), 1046
  26. Dewangan G. C., Titarchuk L., Griffiths R. E., Astrophys. J., 637 (2006), L21
  27. Dewangan G. C., Griffiths R. E., Rao A. R., Astrophys. J., 641 (2006), L125
  28. Strohmayer T. E. et al., Astrophys. J., 660 (2007), 580
  29. Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., Astron. Astrophys., 363 (2000), 1013
  30. Titarchuk L., Mastichiadis A., Kylafis N. D., Astrophys. J., 487 (1997), 834
  31. Dickey J. M., Lockman F. J., Annu. Rev. Astron. Astrophys., 28 (1990), 215
  32. Laurent P., Titarchuk L., Astrophys. J., 511 (1999), 289
  33. Shakura N. I., Sunyaev R. A., Astron. Astrophys., 24 (1973), 337
  34. Titarchuk L., Zannias T., Astrophys. J., 493 (1998), 863
  35. Laurent P., Titarchuk L., Astrophys. J., 727 (2011), 34
  36. Greene J., Bailyn C. D., Orosz J. A., Astrophys. J., 554 (2001), 1290
  37. Hjellming R. M., Rupen M. P., Nature, 375 (1995), 464
  38. Muños-Darias T., Casares J., Martines-Pais I. G., Mon. Not. R. Astron. Soc., 385 (2008), 2205
  39. Hynes R. I. et al., Astrophys. J., 609 (2004), 317
  40. Orosz J. A., A Massive Star Odyssey: from Main Sequence to Supernova, Proc. of IAU Symp. No. 212 (24-28 June 2001, Spain), K van der Hucht, A. Herrero, C. Esteban, Astron. Soc. of the Pacific, San Francisco, 2003, 365
  41. Park S. Q. et al., Astrophys. J., 610 (2004), 378
  42. Orosz J. A. et al., Astrophys. J., 568 (2002), 845
  43. Sanchez-Fernandez C. et al., Astron. Astrophys., 348 (1999), L9
  44. Sobczak G. J. et al., Astrophys. J., 517 (1999), L121
  45. Orosz J. A. et al., Astrophys. J., 616 (2004), 376
  46. Homan J. et al., Mon. Not. R. Astron. Soc., 366 (2006), 235
  47. McClintock J. E. et al., Astrophys. J., 698 (2009), 1398
  48. Filippenko A. V., Chornock R., IAU Circ., 7644 (2001), 2
  49. Zurita C. et al., Mon. Not. R. Astron. Soc., 334 (2002), 999
  50. Herrero A. et al., Astron. Astrophys., 297 (1995), 556
  51. Ninkov Z., Walker G. A. H., Yang S., Astrophys. J., 321 (1987), 425
  52. Titarchuk L. et al., Astrophys. J., 560 (2001), L55
  53. Titarchuk L., Shaposhnikov N., Astrophys. J., 678 (2008), 1230
  54. Laurent P., Titarchuk L., Astrophys. J., 656 (2007), 1056
  55. Rybicki G. B., Lightman A. P., Radiative Processes in Astrophysics, Wiley, New York, 1979, 46
  56. Titarchuk L., Seifina E., Astron. Astrophys., 595 (2016), A101
  57. Titarchuk L., Seifina E., Astron. Astrophys., 585 (2016), A94
  58. Seifina E., Chekhtman A., Titarchuk L., Astron. Astrophys., 613 (2018), A48
  59. Seifina E., Titarchuk L., Ugolkova L., Astron. Astrophys., 619 (2018), A21
  60. Event Horizon Telescope Collab., Astrophys. J. Lett., 930 (2022), 12E
  61. Titarchuk L., Seifina E., Mon. Not. R. Astron. Soc., 501 (2021), 5659
  62. Rhoades C. E. (Jr.), Ruffini R., Phys. Rev. Lett., 32 (1974), 324
  63. Seifina E., Titarchuk L., Shaposhnikov N., Astrophys. J., 821 (2016), 23
  64. Seifina E., Titarchuk L., Shrader C., Shaposhnikov N., Astrophys. J., 808 (2015), 142
  65. Seifina E., Titarchuk L., Frontera F., Astrophys. J., 766 (2013), 63
  66. Titarchuk L., Seifina E., Frontera F., Astrophys. J., 767 (2013), 160
  67. Seifina E., Titarchuk L., Astrophys. J., 747 (2012), 99
  68. Di Salvo T. et al., Astrophys. J., 542 (2000), 1034
  69. Piraino S., Santangelo A., Kaaret P., Astron. Astrophys., 360 (2000), L35
  70. D'Ai A. et al., Astron. Astrophys., 448 (2006), 817
  71. Ng C. et al., Astron. Astrophys., 522 (2010), A96
  72. Egron E. et al., Astron. Astrophys., 530 (2011), A99
  73. Di Salvo T. et al., Astrophys. J. Lett., 649 (2006), L91
  74. Titarchuk L., Shaposhnikov N., Astrophys. J., 724 (2010), 1147
  75. Di Salvo T. et al., Astrophys. J., 546 (2001), 1107
  76. Зельдович Я. Б., Шакура Н. И., Астрономический журн., 46 (1969), 225
  77. Бисноватый-Коган Г. С. и др., Астрономический журн., 57 (1980), 1242
  78. Titarchuk L., Seifina E., Astrophys. J., 706 (2009), 1463
  79. Seifina E., Titarchuk L., Astrophys. J., 722 (2010), 586
  80. Soria R. et al., Mon. Not. R. Astron. Soc., 410 (2011), 1886
  81. Maiolino T. et al., Astrophys. J., 900 (2020), 153
  82. Sunyaev R. A., Titarchuk L. G., Astron. Astrophys., 143 (1985), 374
  83. Mukai K. et al., Astrophys. J. Lett., 586 (2003), L77
  84. Pandel D., Cordova F. A., Howell S. B., Mon. Not. R. Astron. Soc., 346 (2003), 1231
  85. Warner B., Cataclysmic Variable Stars, Cambridge Astrophysics Series, 28, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1995
  86. Mauche C. W., Raymond J. C., Astrophys. J., 541 (2000), 924
  87. Lewin W., van der Klis M. (Eds.), Compact Stellar X-ray Sources, Cambridge Astrophysics Series, 39, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2006
  88. D'Amico F. et al., Astrophys. J., 547 (2001), L147
  89. D'Ai A. et al., Astrophys. J., 667 (2007), 411
  90. Maiolino T., D'Amico F., Braga J., Astrophys. J., 551 (2013), L2

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».