[論文レビュー] A New Determination of the Spectra and Luminosity Function of Gamma-Ray Millisecond Pulsars

Ilias Cholis, Dan Hooper+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、5.6年間のFermiガンマ線宇宙望遠鏡データを分析し、61個のミリ秒パルサー（MSPs）のガンマ線スペクトルおよび発光関数を特定した。多数のMSPはパワーレイ法スペクトルを示し、1–2 GeVで指数的カットオフが見られ、ピークを示す。発光関数は10³²–10³⁴ erg/s付近でピークを示しており、これはわずか数個の明るいMSPが全フラックスを支配していることを示し、X線放射と比較してガンマ線放射はより非指向的である。これは、外ギャップまたはスロットギャップモデルが極端に指向されたパルサーのモデルよりも支持される。

ABSTRACT

In this article, we revisit the gamma-ray emission observed from millisecond pulsars and globular clusters. Based on 5.6 years of data from the Fermi Gamma-Ray Space Telescope, we report gamma-ray spectra for 61 millisecond pulsars, finding most to be well fit by a power-law with an exponential cutoff, producing to a spectral peak near ~1-2 GeV (in $E^2 dN/dE$ units). Additionally, while most globular clusters exhibit a similar spectral shape, we identify a few with significantly softer spectra. We also determine the gamma-ray luminosity function of millisecond pulsars using the population found in the nearby field of the Milky Way, and within the globular cluster 47 Tucanae. We find that the gamma-ray emission observed from globular clusters is dominated by a relatively small number of bright millisecond pulsars, and that low-luminosity pulsars account for only a small fraction of the total flux. Our results also suggest that the gamma-ray emission from millisecond pulsars is more isotropic and less strongly beamed than the emission at X-ray wavelengths. Furthermore, the observed distribution of apparent gamma-ray efficiencies provides support for the slot gap or the outer gap models over those in which the gamma-ray emission originates from regions close to the neutron star's magnetic poles (polar cap models).

研究の動機と目的

• 延長されたFermiデータを用いて、ミリ秒パルサーのガンマ線スペクトルおよび発光関数を特定すること。
• ガンマ線放射のビーミング特性がX線放射と比較してどのように異なるかを評価すること。
• 観測されたスペクトルおよび発光関数の分布に基づき、異なる放射モデル（例：外ギャップ、スロットギャップ、極端に指向されたパルサー）の妥当性を評価すること。
• 球状銀河団におけるガンマ線放射が、少数の明るいMSPに支配されているのか、それとも低発光度源の集団に支配されているのかを調査すること。
• ガンマ線効率の分布とそのパルサー放射メカニズムへの意味を検討すること。

提案手法

• 61個のMSPのガンマ線スペクトルを、指数的抑制付きパワーレイ法モデルでフィット：dN/dE ∝ E^−α exp(−E/E_cut)。
• 16個の高信頼度の球状銀河団および36個の個別銀河団に対してスタックドスペクトル解析を実施し、集団的なスペクトル形状を導出。
• 観測されたフラックスと距離を用いて、のちに銀河系内のフィールドMSPのガンマ線発光関数（LdN/dL）を導出。
• 実験的X線からガンマ線発光度相関を適用し、球状銀河団47 Tucanaeにおけるガンマ線発光関数を推定。
• 理論的放射モデル（スロットギャップ、外ギャップ、極端に指向されたパルサー）の予測と、観測されたスペクトルおよび発光関数の分布を比較。
• スペクトルパラメータ（α, E_cut）、発光度、距離、周期、年齢、銀河系緯度の間の相関を分析し、系統的傾向の有無を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大多数のミリ秒パルサーにおけるガンマ線スペクトルの形状は何か？ そのピークエネルギーはどこに位置するか？
• RQ2 球状銀河団からの全ガンマ線フラックスは、個々のMSPの間でどのように分配されているか？ 一部の明るい源が支配しているのか、それとも多数の暗い源が支配しているのか？
• RQ3 MSPからのガンマ線放射はX線放射よりも非指向的であるとされるが、これは放射ビーミングにどのような意味を持つのか？
• RQ4 観測されたガンマ線効率の分布は、外ギャップまたはスロットギャップモデルを極端に指向されたパルサーのモデルよりも支持するのか？
• RQ5 球状銀河団内のMSPとフィールドMSPとの間でスペクトルに差異があるか？ これにより、銀河団内に追加の源が存在する可能性があるのか？

主な発見

• 61個のMSPのガンマ線スペクトルは、指数的抑制付きパワーレイ法で最もよく記述され、E²dN/dE単位で1–2 GeVでピークを示す。スタックドスペクトルはdN/dE ∝ E^−1.57 exp(−E/3.78 GeV)と表される。
• のちに銀河系内のフィールドMSPおよび47 TucanaeのMSPにおける発光関数は、L ∼ 10³²–10³⁴ erg/s（0.1 GeV以上）でピークを示し、L > 10³⁵ erg/sにまで尾を引く。
• 球状銀河団からの全ガンマ線フラックスは、わずか数個の明るいMSPに支配されており、低発光度パルサーは全フラックスにほとんど寄与していない。
• MSPからのガンマ線放射はX線放射よりも強くビーミングされていないため、より大きな放射領域またはより非指向的な放射パターンを示唆している。
• 観測された apparent ガンマ線効率の分布は、極端に指向されたパルサーのモデルよりもスロットギャップまたは外ギャップモデルを支持しており、後者は異なる発光度-スペクトル相関を予測する。
• スペクトル指数が急（α > −0.5）または非常に軟らか（Lγ < 10³³.⁵ erg/s かつ α < −2.2）なMSPは観測されておらず、これは現在のカタログにこのような源が存在しないことを示している。