Abstract Black hole and neutron star X-ray binary systems routinely show quasi-periodic oscillations (QPOs) in their X-ray flux. Despite being strong, easily measurable signals, their physical origin has long remained elusive. However, recent observational and theoretical work has greatly improved our understanding. Here, we briefly review the basic phenomenology of the different varieties of QPO in both black hole and neutron star systems before focusing mainly on low frequency QPOs in black hole systems, for which much of the recent progress has been made. We describe the detailed statistical properties of these QPOs and review the physical models proposed in the literature, with particular attention to those based on Lense-Thirring precession. This is a relativistic effect whereby a spinning massive object twists up the surrounding spacetime, inducing nodal precession in inclined orbits. We review the theory describing how an accretion flow reacts to the Lense-Thirring effect, including analytic theory and recent numerical simulations. We then describe recent observational tests that provide very strong evidence that at least a certain type of low frequency QPOs are a geometric effect, and good evidence that they are the result of precession. We discuss the possibility of the spin axis of the compact object being misaligned with the binary rotation axis for a large fraction of X-ray binaries, as is required for QPOs to be driven specifically by Lense-Thirring precession, as well as some outstanding gaps in our understanding and future opportunities provided by X-ray polarimeters and/or high throughput X-ray detectors.

中文翻译：

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黑洞X射线双星准周期振荡综述：观测与理论

摘要 黑洞和中子星 X 射线双星系统在其 X 射线通量中经常显示准周期振荡 (QPO)。尽管它们是强大的、易于测量的信号，但它们的物理起源长期以来一直难以捉摸。然而，最近的观察和理论工作大大提高了我们的理解。在这里，我们简要回顾了黑洞和中子星系统中不同种类 QPO 的基本现象学，然后主要关注黑洞系统中的低频 QPO，最近在这方面取得了很大进展。我们描述了这些 QPO 的详细统计特性，并回顾了文献中提出的物理模型，特别关注那些基于 Lense-Thirring 岁差的模型。这是一种相对论效应，一个旋转的大质量物体扭曲了周围的时空，在倾斜的轨道上诱导节点进动。我们回顾了描述吸积流如何对 Lense-Thirring 效应做出反应的理论，包括解析理论和最近的数值模拟。然后我们描述了最近的观察测试，这些测试提供了非常有力的证据，证明至少某种类型的低频 QPO 是几何效应，并且很好地证明它们是进动的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。我们回顾了描述吸积流如何对 Lense-Thirring 效应做出反应的理论，包括解析理论和最近的数值模拟。然后我们描述了最近的观察测试，这些测试提供了非常有力的证据，证明至少某种类型的低频 QPO 是几何效应，并且很好地证明它们是进动的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。我们回顾了描述吸积流如何对 Lense-Thirring 效应做出反应的理论，包括解析理论和最近的数值模拟。然后我们描述了最近的观察测试，这些测试提供了非常有力的证据，证明至少某种类型的低频 QPO 是几何效应，并且很好地证明它们是进动的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。包括解析理论和最近的数值模拟。然后我们描述了最近的观察测试，这些测试提供了非常有力的证据，证明至少某种类型的低频 QPO 是几何效应，并且很好地证明它们是进动的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。包括解析理论和最近的数值模拟。然后我们描述了最近的观察测试，这些测试提供了非常有力的证据，证明至少某种类型的低频 QPO 是几何效应，并且很好地证明它们是进动的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。并且很好的证据表明它们是岁差的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。并且很好的证据表明它们是岁差的结果。我们讨论了致密物体的自旋轴与大部分 X 射线双星的双星旋转轴不对齐的可能性，这是 QPO 由 Lense-Thirring 岁差特别驱动的要求，以及一些突出的间隙X 射线旋光仪和/或高通量 X 射线探测器提供的我们的理解和未来机会。