[論文レビュー] A NICER View of the Massive Pulsar PSR J0740+6620 Informed by Radio Timing and XMM-Newton Spectroscopy

Riley, Thomas E., Watts, Anna L.+28 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|May 14, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 166被引用数 958

ひとこと要約

この論文はNICER X線パルスプロファイルモデリングを、情報量豊富な無線タイミング priors および XMM-Newton 分光と組み合わせることで巨大ミリ秒パルサー PSR J0740+6620 の半径と質量のベイズ推定を行う。2つのホットサーフェス領域を前提として半径と質量の制約を得て、再現性のためにオープンソースソフトウェアを使用している。

ABSTRACT

We report on Bayesian estimation of the radius, mass, and hot surface regions of the massive millisecond pulsar PSR J0740$+$6620, conditional on pulse-profile modeling of Neutron Star Interior Composition Explorer X-ray Timing Instrument (NICER XTI) event data. We condition on informative pulsar mass, distance, and orbital inclination priors derived from the joint NANOGrav and CHIME/Pulsar wideband radio timing measurements of arXiv:2104.00880. We use XMM European Photon Imaging Camera spectroscopic event data to inform our X-ray likelihood function. The prior support of the pulsar radius is truncated at 16 km to ensure coverage of current dense matter models. We assume conservative priors on instrument calibration uncertainty. We constrain the equatorial radius and mass of PSR J0740$+$6620 to be $12.39_{-0.98}^{+1.30}$ km and $2.072_{-0.066}^{+0.067}$ M$_{\odot}$ respectively, each reported as the posterior credible interval bounded by the 16% and 84% quantiles, conditional on surface hot regions that are non-overlapping spherical caps of fully-ionized hydrogen atmosphere with uniform effective temperature; a posteriori, the temperature is $\log_{10}(T$ [K]$)=5.99_{-0.06}^{+0.05}$ for each hot region. All software for the X-ray modeling framework is open-source and all data, model, and sample information is publicly available, including analysis notebooks and model modules in the Python language. Our marginal likelihood function of mass and equatorial radius is proportional to the marginal joint posterior density of those parameters (within the prior support) and can thus be computed from the posterior samples.

研究の動機と目的

• PSR J0740+6620 の自転赤道半径と質量を NICER X-ray パルスプロファイルモデリングから、情報豊かなラジオタイミング priors に条件づけて推定する。
• XMM-Newton EPIC 分光を組み込み、X線尤度関数を情報づける。
• 表面のホットリージョンモデルを探索し、半径推定への影響を評価する。
• 質量、距離、inclination の priors が、EOS 対応範囲を許しつつ、共同のラジオタイミング制約を反映するようにする。
• 分析とEOSの示唆を再現可能にするデータとソフトウェアを提供する。

提案手法

• NICER XTI パルスプロファイルデータに条件づけた中性子星半径と質量のベイズ推定。
• NANOGrav × CHIME/Pulsar ラジオタイミング測定（Fonseca et al. 2021a）に基づく質量、距離、傾斜の結合事前分布。
• X-PSI v0.7 を用いた、扁平で回転する中性子星表面からのX線光子の相対論的レイトレーシング。
• 表面放射を説明する、重なることのない球面キャップ2つを用いたホット領域モデル（水素大気）。
• XMM-Newton EPIC 分光を NICER データとともに X 線尤度を情報づける。
• 周辺尤度の解釈：質量-半径事後分布はEOS解析の周辺尤度を構築するために用いることができる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NICER パルスプロファイルデータを条件づけた有益なラジオタイミング priors に基づくPSR J0740+6620 の質量と赤道半径はいくらか？
• RQ2 NICER XTI データの下で表面ホット領域の配置は推定される半径にどのような影響を与えるか？
• RQ3 XMM-Newton 分光がX線尤度と結果としての質量-半径推定においてどの役割を果たすのか？
• RQ4 EOS 推定のための companion 分析で質量-半径後方分布をどのように活用できるか？
• RQ5 距離・質量・傾斜の採用 priors および分散測定の変動の扱いにどれだけ結果が敏感か？

主な発見

• 赤道半径と質量は R = 12.39 km、-0.98/+1.30（16–84パーセンタイル） and M = 2.072 M⊙、-0.066/+0.067（16–84パーセンタイル）で制約される。
• 表面の2つの非重複ホット領域の温度と大きさは、各領域について事後分布で均一な有効温度を推定（log10(T[K]) = 5.99、-0.06/+0.05）。
• 半径推定は質量・距離・軌道傾斜の有益な無情報 priors に条件づけられ、NIcER データ単独より厳しい制約を得る。
• 全ての分析ソフトウェアはオープンソースで、データ、モデル、サンプルは公に利用可能、分析ノートブックと Python モジュールを含む。
• 質量と赤道半径の周辺尤度は、EOS後方解析の companion study で後方サンプルから回収可能。