低质量中子星X射线双星中毫赫兹准周期震荡信号的研究

The millihertz quasi-periodic oscillations (mHz QPOs) have been detected in neutron-star low-mass X-ray binaries. It has been proposed that the mechanism responsible for the mHz QPOs is connected with marginally stable nuclear burning on the neutron-star surface. In the current stage, investigation in low-luminosity mHz QPOs is mainly in the band from 2.5 keV to 5 keV, which is only half of the full energy band where the QPOs are significant. In this project, we plan to use XMM-Newton observations to study the amplitude of the low-luminosity mHz QPOs and the related time lags in the band of 0.2-5 keV. The goal of this project is as follow: (i) for the first time, derive the amplitude of the low-luminosity mHz QPOs and the related time lags in the full energy band where the QPOs are significant; (ii) explore the origin of the new 8 millihertz QPO discovered in the pulsar IGR J00291+5934. In the future, this project is able to include data from Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) to study the timing and the related spectral properties of the low-luminosity mHz QPOs, which will help us to make a closer look into the nuclear burning process on the neutron-star surface.

吸积中子星是当前天体物理研究的前沿领域之一，其中发现的毫赫兹频率的准周期震荡信号的物理性质目前尚不清楚。现阶段毫赫兹准周期震荡信号的观测研究主要集中于2.5keV至5keV能段，对小于2.5keV范围的震荡性质知之甚少。本项目计划使用XMM-Newton卫星的观测，在震荡特征显著的全能段(约为0.2keV至5keV)内研究低亮度毫赫兹准周期震荡信号的振幅及光子的时间延迟特征。本项目的研究将：(1)首次获得相当完备的低亮度毫赫兹准周期震荡信号的振幅-能量关系和时间延迟分布特征，促进对这类准周期震荡信号观测特征的深入理解；(2)致力于探索脉冲星IGR J00291+5934中新发现的8毫赫兹的准周期震荡信号的物理起源。本项目的执行将有助于与硬X射线调制望远镜(慧眼)的观测相结合来理解低亮度毫赫兹准周期震荡信号的时变性质和相关的能谱特征，有望对中子星表面的核燃烧物理过程有更加深入的认识。

吸积中子星是当前天体物理研究的前沿领域之一，其中发现的毫赫兹频率准周期震荡信号（mHz QPO）的物理性质目前尚不清楚。本项目基于XMM-Newton望远镜、RXTE卫星和NICER探测器的数据对mHz QPO的典型观测特征进行了研究，具体可以分为以下几个方面：（1）基于RXTE大批量的观测数据，研究mHz QPO的rms振幅、频率的分布规律及其与软X射线光子数率和参数Sa等参数之间可能的联系；（2）基于XMM-Newton和NICER探测器的数据，研究mHz QPO在~0.2-5 keV 能量范围内的rms振幅-能量关系；（3）基于mHz QPO全能段内的振幅-能量关系，验证毫秒脉冲星IGR J00291+5934中频率在8 mHz的QPO是否为起源于中子星表面亚稳态核燃烧的mHz QPO; (4)使用RXTE的数据首次研究mHz QPO的倍频谐成分。本项目的研究发现：（1）mHz QPO不会出现在吸积率低的硬能谱态，与理论模型预测的结果一致；（2）mHz QPO的频率和振幅这2个典型观测量之间没有明显的相关性，表明它们背后的物理机制并不完全相同；（3）首次发现mHz QPO的振幅与软X射线光子数率之间存在显著的反相关关系，目前理论上暂时没有相关的物理解释；（4）mHz QPO的振幅在~2.5-3.0 keV以下随着能量的升高而递增，在~2.5-3.0 keV以上随着能量的升高而递减；（5）毫秒脉冲星IGR J00291+5934中频率在8 mHz的QPO的振幅-能量关系与已知mHz QPO的振幅-能量关系不相同，表明其很可能不是起源于中子星表面的核燃烧过程；（6）研究发现并不是所有的mHz QPO都具有倍频谐成分，谐成分的出现可能与QPO信号本身的形状有关。