J163331.6-445727：利用机器学习方法，XMM-Newton和SRG/ART-XC在遥远的诺玛臂（Norma Arm）发现了一个新的遥远SyXB天体

使用机器学习筛选4XMM目录发现新SyXB系统J163331.6-445727，通过X射线和光学/IR观测确认其存在1552秒周期X射线脉冲，光学对应体为AV≈5.5的K3-3.5III型红巨星，距离约6.5千秒差距，属罕见远距离SyXB系统。

　　

A.V. 梅什切里亚科夫 | D.I. 卡拉塞夫 | A.A. 卢托维诺夫 | I. 尤·拉普绍夫 | S.V. 莫尔科夫 | D.A.H. 巴克利 | I. 莫纳根 | N. 拉瓦特 | A. 尤·特卡琴科

俄罗斯科学院空间研究所，Profsoyuznaya 84/32，莫斯科，117997，俄罗斯

摘要

我们对J163331.6-445727进行了X射线和光学/红外观测分析，这是一个新发现的位于远Norma臂的共生X射线双星（SyXB）系统。在4XMM目录中，我们使用机器学习技术从其他候选对象中筛选出了J163331.6-445727。为了确定其性质，我们分析了XMM-Newton的档案数据，并使用搭载在SRG任务上的Mikhail Pavlinsky ART-XC望远镜进行了专门的X射线观测，同时使用SALT上的Robert Stobie光谱仪进行了光学光谱观测。X射线数据使我们发现了周期约为1552秒的相干X射线脉冲。其光学对应体是一颗红化的（A_V约为5.5mag）K3-3.5III光谱型的巨星，距离约为6.5 kpc。根据脉冲的存在、X射线光谱的硬度和光学伴星类型，我们得出结论J163331.6-445727属于一类罕见的遥远SyXB系统。

引言

来自Spectrum–Roentgen–Gamma（SRG）、XMM-Newton、Neil Gehrels Swift等空间天文台的各类X射线天空调查的公开天文对象目录中，包含了大量偶然发现但尚未进行物理分类的银河平面内的X射线源。对这些X射线源进行分类和物理参数测量对于许多银河天文学分支来说非常重要。

中子星X射线双星在银河X射线源中特别引人关注，因为它们与许多现代基础物理主题（如吸积物理、极端状态物理等）密切相关。这类对象在银河X射线源中相当罕见。根据伴星的质量，中子星双星系统大致可以分为两类：高质量（HMXB）和低质量（LMXB）系统。HMXB和LMXB还可以根据伴星的光谱类型进一步细分（Fornasini等人，2023a；Shao，2017）。我们工作的主目的是在X射线天空调查的公开数据中寻找新的中子星X射线双星系统。

现代的高质量X射线双星目录（Fortin等人，2023；Liu等人，2006；Neumann等人，2023）中记录了数百个这样的对象，它们分布在银河系、本星系群星系（尤其是大麦哲伦云和小麦哲伦云）以及其他邻近星系中。HMXB通常包含一个作为致密天体的中子星（例如，在Binary rEvolution组HMXB目录中的164个银河源中有97个测得的自转周期在0.034至36200秒之间；而只有7个系统的致密天体质量M_X≥2M_⊙，这与黑洞的质量相符）。HMXB又可以分为两大类：Be X射线双星（BeXRBs）和超巨X射线双星（SgXBs；非Be型伴星为OB超巨星）（Kretschmar等人，2019；Reig，2011；Walter等人，2015）。在极少数情况下，高质量伴星也可能是一颗晚型红超巨星（如4U 1954+31，参见Hinkle等人，2020）。在银河系中发现新的HMXB对于澄清其整体统计特性（例如光度函数，参见Kaltenbrunner等人，2026；Lutovinov等人，2013）以及对独特对象（如RSG）的详细研究都具有重要意义。

第2节

利用Spectrum–Roentgen–Gamma（SRG）、XMM-Newton、Neil Gehrels Swift等空间天文台进行的各种X射线天空调查的公开天文对象目录中，包含了大量偶然发现但尚未进行物理分类的银河平面内的X射线源。对这些X射线源进行分类和物理参数测量对于许多银河天文学分支来说非常重要。

中子星X射线双星在银河X射线源中特别引人关注，因为它们与许多现代基础物理主题（如吸积物理、极端状态物理等）密切相关。这些对象在银河X射线源中相当罕见。根据伴星的质量，中子星双星系统大致可以分为两类：高质量（HMXB）和低质量（LMXB）系统。HMXB和LMXB还可以根据伴星的光谱类型进一步细分（Fornasini等人，2023a；Shao，2017）。我们工作的主目的是在X射线天空调查的公开数据中寻找新的中子星X射线双星系统。

现代的高质量X射线双星目录（Fortin等人，2023；Liu等人，2006；Neumann等人，2023）中记录了数百个这样的对象，它们分布在银河系、本星系群星系（尤其是大麦哲伦云和小麦哲伦云）以及其他邻近星系中。HMXB通常包含一个作为致密天体的中子星（例如，在Binary rEvolution组HMXB目录中的164个银河源中有97个测得的自转周期在0.034至36200秒之间；而只有7个系统的致密天体质量M_X≥2M_⊙，这与黑洞的质量相符）。HMXB又可以分为两大类：Be X射线双星（BeXRBs）和超巨X射线双星（SgXBs；非Be型伴星为OB超巨星）（Kretschmar等人，2019；Reig，2011；Walter等人，2015）。在极少数情况下，高质量伴星也可能是一颗晚型红超巨星（如4U 1954+31，参见Hinkle等人，2020）。在银河系中发现新的HMXB对于澄清其整体统计特性（例如光度函数，参见Kaltenbrunner等人，2026；Lutovinov等人，2013）以及对独特对象（如RSG）的详细研究都具有重要意义。

第4节

我们提出了一种使用现代机器学习技术在X射线目录中搜索新的中子星X射线双星的方法。在本文中，我们提出了一种基于强大的梯度提升算法（LightGBM；Ke等人，2017）的机器学习方法，用于在4XMM DR14目录中搜索X射线双星。通过我们的分类模型筛选出具有高X射线双星概率的对象，从而得到了X射线双星候选样本。为了寻找含有中子星的X射线双星系统，我们还在选定的源的XMM-Newton X射线定时数据中寻找相干脉冲（这可能是由于中子星的自转周期造成的）。

作为该项目的第一个成果，我们介绍了X射线源J163331.6-445727。它位于我们银河系Norma旋臂的远端。Norma旋臂的近端距离约为4 kpc，而远端距离约为10–11 kpc（Vallée，2008）。Norma区域的恒星群体比银河中心的年轻，但比年轻的银河恒星形成区（如Carina、Orion）的恒星群体更老。Norma旋臂的演化状态以及沿这条视线方向的大量OB星协（Bodaghee等人，2012）使其成为寻找HMXB的理想地点（Fornasini等人，2017；Lutovinov等人，2005）。这些事实为我们提供了对该区域选定的X射线双星候选对象进行更详细观测研究的额外动力。为了更好地理解该源的硬X射线光谱（>10 keV部分），我们在2024年9月使用Mikhail Pavlinsky ART-XC望远镜进行了定向观测。

本文的结构如下：第2节介绍了我们在4XMM目录中用于搜索HMXB/SyXB候选对象的机器学习方法。第3节描述了X射线（XMM-Newton/EPIC和SRG/ART-XC）和光学/红外观测数据。第4节展示了J163331.6-445727的X射线定时、光谱分析和宽带光度SED分析结果。第5节讨论了该X射线对象的物理性质。最后一部分得出了我们的结论。

使用梯度提升机器学习方法在4XMM目录中搜索中子星X射线双星

如上所述，在X射线目录中盲目搜索稀有类别的对象是一项极具挑战性的任务。为了成功完成这项任务，需要一个有序的X射线源列表，以便感兴趣的对象（在我们的案例中是中子星X射线双星）位于4XMM对象列表的顶部。换句话说，对于X射线目录中具有n个观测特征X_i的每个（第i个）对象，我们需要学习映射函数$X_i?R^1$，其中p_i表示一个X射线双星

XMM-Newton

源4XMM J163331.6-445727是在77 ksec长的XMM-Newton定向观测（ObsID = 0861980101，观测日期：2021年2月28日）期间偶然发现的，位于EPIC-pn仪器视场边缘（见图2，中心）附近。它在4XMM-DR14目录中的X射线通量和光谱硬度特性如下（Webb等人，2020）：${}^{?1}$ （0.2-12 keV），${}^{?2}$