[論文レビュー] Accretion-driven millisecond X-ray pulsars

R. Wijnands|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2005

Geotechnical and Geomechanical Engineering被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、1990年代後半から2000年代初頭にかけて発見された6つの降着駆動型ミリ秒X線パルサーの観測的性質をレビューし、最初に発見されたSAX J1808.4–3658に焦点を当てる。RXTE観測から得られた主な発見として、401 Hzの既知の自転周波数と同時に、キロヘルツ帯の準周期的振動（kHz QPO）とほぼコherentなバースト振動が検出された。これは、降着系における中性子星の自転周期を決定するための重要な証拠を提供する。

ABSTRACT

I present an overview of our current observational knowledge of the six known accretion-driven millisecond X-ray pulsars. A prominent place in this review is given to SAX J1808.4-3658; it was the first such system discovered and currently four outbursts have been observed from this source, three of which have been studied in detail using the Rossi X-ray Timing Explorer satellite. This makes SAX J1808.4-3658 the best studied example of an accretion-driven millisecond pulsar. Its most recent outburst in October 2002 is of particular interest because of the discovery of two simultaneous kilohertz quasi-periodic oscillations and nearly coherent oscillations during type-I X-ray bursts. This is the first (and so far only) time that such phenomena are observed in a system for which the neutron star spin frequency is exactly known. The other five systems were discovered within the last three years (with IGR J00291+5934 only discovered in December 2004) and only limited results have been published.

研究の動機と目的

• 1990年代後半から2000年代初頭にかけて発見された降着駆動型ミリ秒X線パルサーの現在の観測的知識を要約すること。
• 最初に発見され、最もよく研究されたミリ秒X線パルサーであるSAX J1808.4–3658の性質を、ロッシX線時変性望遠鏡（RXTE）のデータを用いて分析すること。
• 既知の自転周波数を持つ中性子星の低圧力X線バイナリ系（LMXB）において、キロヘルツ帯の準周期的振動（kHz QPO）とバースト振動の関係を調査すること。
• 時間平均的な降着率が低いことが、磁場の持続性およびこれらの系におけるパルサー行動に与える影響を検討すること。
• 降着ミリ秒パルサーの集団とその進化経路を研究するため、継続的な監視と今後の観測機器の必要性を強調すること。

提案手法

• 複数回の活動期（1996年、1998年、2002年）におけるSAX J1808.4–3658の光曲線作成およびX線変動解析のため、公に提供されているRXTE/ASMおよびPCAデータを用いた。
• 401 Hzでのコherentパルスの検出を目的としたパwer密度スペクトル解析を、持続的X線放射およびタイプIバースト中に実施した。
• BeppoSAX/WFCのX線バーストデータを解析し、バースト振動の検出を試み、第3バーストでわずかな401 Hz信号を確認した。
• 周期的でない急速なX線変動およびスペクトル的特性を比較することで、SAX J1808.4–3658を他のLMXBと照らし合わせた。
• 2002年から2004年に発見されたその他の4つのミリ秒X線パルサー（IGR J00291+5934を含む）のデータを収集・レビューした。
• 超短周期軌道系における磁場スクリーニングと降着の理論的モデルを評価し、パルサー行動の解明に寄与した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SAX J1808.4–3658の2002年活動期に、なぜキロヘルツ帯の準周期的振動とほぼコherentな401 Hzバースト振動が同時に検出されたのか。
• RQ2 SAX J1808.4–3658の401 Hzという既知の自転周波数が、バースト振動と中性子星自転の関連をどのように確認するのに役立ったか。
• RQ3 多くのLMXB系にkHz QPOが見られる中で、なぜコherentパルスを示す中性子星LMXBはわずかにしか観測されていないのか。
• RQ4 時間平均的な降着率が、中性子星が検出可能なミリ秒パルサーのまま保たれるかどうかを決定づける役割を果たすのはなぜか。
• RQ5 ミリ秒X線パルサーの軌道的およびX線光曲線の性質は、非パルサー系のLMXBとどのように異なるのか。

主な発見

• SAX J1808.4–3658は、2002年10月の活動期に、同時に2つのキロヘルツ帯の準周期的振動とほぼコherentな401 Hzバースト振動を示した。これは、正確に自転周波数が分かっている系で初めての検出であった。
• RXTE/PCAデータのコherentタイミング解析により、SAX J1808.4–3658の401 Hzパルス周波数が確認され、これは降着駆動型ミリ秒X線パルサーとして最初に発見された。
• 1996年の活動期に観測された第3バーストで、わずかな401 Hzの振動が検出された。これは、他のLMXB系でもバースト振動が中性子星の自転によって駆動されている可能性を示唆している。
• 主な活動期から6週間後も、ピークの約10分の1の輝度を示す持続的活動が観測された。これは、後の活動期と同様の長期的な減衰段階を示している。
• 既知の6つの降着駆動型ミリ秒X線パルサーは、自転周波数185 Hzから599 Hz、軌道周期40分から4.3時間の範囲に分布しており、系の性質に顕著な多様性があることが示された。
• 理論的モデルによれば、時間平均的な降着率が低いと、中性子星の磁場が十分に強く保たれ、降着流に影響を及ぼすことができる。これは、パルスがLMXBの一部の系でのみ観測される理由を説明する。