[論文レビュー] Binary evolution with LOFT

Thomas J. Maccarone, R. A. M. Wijnands+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

LOFTは、広視野モニタリング（WFM）による深紫外・全天走査と、大面積検出器（LAD）による高時間分解能分光測定を通じて、連星の進化研究を画期的に前進させる。超微弱X線連星を同定し、ブラックホール連星の軌道周期分布を解明し、ミリ秒パulsarへの移行過程における中性子星のスピン上昇を解明することで、コンパクト連星進化および中性子星とブラックホールの間の「質量ギャップ」に関する理解を顕著に高める。

ABSTRACT

This is a White Paper in support of the mission concept of the Large Observatory for X-ray Timing (LOFT), proposed as a medium-sized ESA mission. We discuss the potential of LOFT for the study of very faint X-ray binaries, orbital period distribution of black hole X-ray binaries and neutron star spin up. For a summary, we refer to the paper.

研究の動機と目的

• 未解決の選択バイアスを克服するため、画期的な感度を備えた深紫外・全天走査を可能にする。
• 正確な質量測定を伴うシステムのサンプル拡大により、中性子星とブラックホールの間の「質量ギャップ」を解明する。
• 低質量X線連星（LMXB）とミリ秒電波パルサー（MSP）の間の遷移的システムを検出し、中性子星のスピン上昇・下降過程を研究する。
• WFMの感度と広視野を活用して、の銀河内における超微弱X線連星（VFXBs）の包括的アンソロポロジーを確立する。
• 迅速応答と高時間分解能を組み合わせることで、遷移的システムにおけるパルスの位相一貫型計測を可能にし、降着およびスピン進化モデルの検証を可能にする。

提案手法

• LOFT広視野モニタ（WFM）を用いて、2–50 keVエネルギー範囲でmCrabレベルの輝度まで達する感度を有する、連続的で全天走査の監視を実施する。
• 大面積検出器（LAD）を用いて、降着系におけるX線パルスの高時間分解能分光測定と正確なタイミング測定を実施する。
• WFMのアラートとLADのフォローアップ観測を統合し、特にLMXBとMSP状態間の遷移における一時的X線状態を検出し、特徴づける。
• 急速なLAD観測（最短300秒）を用いて、遷移的システムにおけるパルスの位相一貫型タイミング技術を適用し、スピン進化およびトルク機構を測定する。
• 電波由来のエフェマリデスを用いてパルス位相追跡を向上させ、降着誘発スピン上昇および噴出誘発スピン下降のモデルを検証する。
• WFMがトリガーした活動の多波長連携フォローアップ観測を実施し、VFXBsおよび遷移的システムの同定と分類を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールX線連星の真の軌道周期分布は何か？ これは連星進化モデルの予測と一致するか？
• RQ2 中性子星とブラックホールの間の観測された「質量ギャップ」は、実際の物理的現象であるのか、選択バイアスに起因するのか？
• RQ3 中性子星は降着過程でどのようにミリ秒スピン周期に達するのか？ スピン上昇およびスピン下降の主なトルク機構は何か？
• RQ4 超微弱X線連星（VFXBs）の何パーセントが、実際にはLMXBとミリ秒パルサーの間の遷移的システムであるのか？
• RQ5 遷移的システムにおけるパルスの位相一貫型タイミングは、降着・噴出および角運動量移動の物理を制約できるか？

主な発見

• LOFTのWFMは、の銀河の大部分において、約10^34 erg s⁻¹の低輝度を持つVFXBsを検出可能であり、光学および電波フォローアップ観測による性質の特定を可能にする。
• LOFTは、PSR J1023+0038のような遷移的システムから、最短300秒でパルスを検出可能であり、位相一貫型タイミングキャンペーンを実施できる。
• このミッションにより、特にミリ秒領域におけるスピン周期が測定された中性子星のサンプルが顕著に拡大され、弱く速いパルスの検出が可能になる。
• LOFTの感度のおかげで、数kpcの距離まで、『フレア状態』にある遷移的システムからのX線フレアを検出可能であり、ピーク輝度は10^37 erg s⁻¹を超える。
• WFMとLADの組み合わせにより、状態遷移中の複数の遷移的システムの発見と監視が可能となり、降着およびスピン進化に関する稀な知見が得られる。
• LOFTの迅速応答と高時間分解能により、ローチューブオーバーフローに起因する軌道周期変動を測定することで、Applegate型メカニズムの検証が可能になる。