Diffuse X-ray emission around an ultraluminous X-ray pulsar

Abstract

1314/5000 Las fuentes de rayos X ultraluminosos (ULX) son emisores de rayos X extragalácticos ubicados fuera del centro de su galaxia anfitriona y con una luminosidad superior a unos 10 ^ {39} erg s ^ {- 1}, si se emiten isotrópicamente. El descubrimiento de la modulación periódica reveló que en algunos ULX el objeto compacto que se acrecienta es una estrella de neutrones que indica luminosidades sustancialmente por encima de su límite de Eddington. El objeto más extremo a este respecto es NGC 5907 ULX-1 (ULX1), con una luminosidad máxima que es 500 veces su límite de Eddington. Durante una observación de Chandra para sondear un estado bajo de ULX1, detectamos una emisión difusa de rayos X en la posición de ULX1. Su diámetro es de 2,7 ± 1,0 segundos de arco y contiene 25 fotones, ninguno por debajo de 0,8 keV. Interpretamos esta estructura extendida como una nebulosa en expansión impulsada por el viento de ULX1. Su diámetro de aproximadamente 200 pc, energía característica de ~ 1.9 keV y luminosidad de ~ 2 × 10 ^ {38} erg s ^ {- 1} implican una potencia mecánica de 1.3 × 10 ^ 41 erg s − 1 y una edad de ~ 7 × 10 ^ 4 años Esta interpretación sugiere que un régimen genuinamente super-Eddington puede mantenerse durante escalas de tiempo mucho más largas que el tiempo de activación de la estrella de neutrones que alimenta el sistema. Como la potencia mecánica de una sola nebulosa ULX puede rivalizar con la tasa de inyección de rayos cósmicos de una galaxia entera, las nebulosas ULX podrían ser importantes aceleradores de rayos cósmicos.

Ultraluminous X-ray sources (ULXs) are extragalactic X-ray emitters located off-centre of their host galaxy and with a luminosity in excess of a few 10^{39} erg s^{−1}, if emitted isotropically. The discovery of periodic modulation revealed that in some ULXs the accreting compact object is a neutron star indicating luminosities substantially above their Eddington limit. The most extreme object in this respect is NGC 5907 ULX-1 (ULX1), with a peak luminosity that is 500 times its Eddington limit. During a Chandra observation to probe a low state of ULX1, we detected diffuse X-ray emission at the position of ULX1. Its diameter is 2.7 ± 1.0 arcsec and contains 25 photons, none below 0.8 keV. We interpret this extended structure as an expanding nebula powered by the wind of ULX1. Its diameter of about 200 pc, characteristic energy of ~1.9 keV and luminosity of ~2 × 10^{38} erg s^{−1} imply a mechanical power of 1.3 × 10^41 erg s−1 and an age of ~7 × 10^4 yr. This interpretation suggests that a genuinely super-Eddington regime can be sustained for timescales much longer than the spin-up time of the neutron star powering the system. As the mechanical power from a single ULX nebula can rival the injection rate of cosmic rays of an entire galaxy, ULX nebulae could be important cosmic ray accelerators.