[論文レビュー] Bright X-ray and Radio Pulses from a Recently Reactivated Magnetar

Aaron B. Pearlman, Walid A. Majid+10 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 74被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、国際宇宙ステーション搭載のNICERを用いて、最近再活性化された磁気星XTE J1810–197から、発 flare 状態とは異なる状態で明るく持続的な個々のX線パルスが検出された。過去のインパルシブX線イベントとは異なり、これらのパルスはエネルギーが低く、明確な時間的構造を示し、X線と電波パルスの振幅やタイミングの間に相関が認められなかった。これは、両バンドで同時に観測されているにもかかわらず、発光機構が別個である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Magnetars are young, rotating neutron stars that possess larger magnetic fields ($B$ $\approx$ $10^{13}$-$10^{15}$ G) and longer rotational periods ($P$ $\approx$ 1-12 s) than ordinary pulsars. In contrast to rotation-powered pulsars, magnetar emission is thought to be fueled by the evolution and decay of their powerful magnetic fields. They display highly variable radio and X-ray emission, but the processes responsible for this behavior remain a mystery. We report the discovery of bright, persistent individual X-ray pulses from XTE J1810-197, a transient radio magnetar, using the Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) following its recent radio reactivation. Similar behavior has only been previously observed from a magnetar during short time periods following a giant flare. However, the X-ray pulses presented here were detected outside of a flaring state. They are less energetic and display temporal structure that differs from the impulsive X-ray events previously observed from the magnetar class, such as giant flares and short X-ray bursts. Our high frequency radio observations of the magnetar, carried out simultaneously with the X-ray observations, demonstrate that the relative alignment between the X-ray and radio pulses varies on rotational timescales. No correlation was found between the amplitudes or temporal structure of the X-ray and radio pulses. The magnetar's 8.3 GHz radio pulses displayed frequency structure, which was not observed in the pulses detected simultaneously at 31.9 GHz. Many of the radio pulses were also not detected simultaneously at both frequencies, which indicates that the underlying emission mechanism producing these pulses is not broadband. We find that the radio pulses from XTE J1810-197 share similar characteristics to radio bursts detected from fast radio burst (FRB) sources, some of which are now thought to be produced by active magnetars.

研究の動機と目的

• XTE J1810–197の電波再活性化後、10年以上にわたる静止状態に続いて、X線および電波放射の性質を調査すること。
• 新たに検出されたX線パルスが、巨大フレアと関連しているのか、それとも磁気星放射の新たなクラスを示しているのかを特定すること。
• エネルギー、振幅、タイミングの観点から、X線と電波パルスプロファイルの相関を検討し、発光機構を制限すること。
• 高周波数（8.3および31.9 GHz）における電波スペクトルおよびパルス構造を特徴づけ、広帯域発光特性を評価すること。

提案手法

• X線観測は、2019年2月6日から26日まで、国際宇宙ステーション搭載の中性子星内部構成探査機（NICER）を用いて実施され、同時期の8.3 GHzタイミングから導出された電波エフェメリスを用いて、バーセントリック光子到着時刻を折りたたんだ。
• 電波観測は、2019年2月16日および25日、オーストラリア・キャンベラのNASA深宇宙網（DSN）34mアンテナを用いて、同時に8.3および31.9 GHzで実施された。
• パルスプロファイルは、複数のエネルギー帯域（1–2、2–3、…、5–10 keV）で解析され、正弦波フィットを用いて帯域間の相対的位相差を測定した。
• 背景を差し引いたRMS値をエネルギー帯域ごとに用いて、X線パルス分率を計算し、変調深さを定量化した。
• 分散解除されたデータから、電波ダイナミックスペクトルおよびストークスI統合パルスプロファイルを生成し、スペクトル的および時間的構造を調査した。
• 8.3 GHz観測の位相整合型タイムイン解法をMJD 58530.8およびMJD 58539.8で得て、正確なパルス折りたたみと位相整合を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XTE J1810–197からの明るく持続的なX線パルスは、巨大フレアに関連しているのか、それとも静止状態における別個の発光機構を示しているのか？
• RQ2 同じ回転位相におけるX線および電波パルスの時間的構造と振幅の関係は何か？
• RQ3 8.3および31.9 GHzでの電波パルスは相関を示すか。これは広帯域発光プロセスを示唆するのか？
• RQ4 8.3および31.9 GHz間のスペクトル指数は、過去の測定と比較してどう異なるのか。発光機構に何を示唆するのか？
• RQ5 電波パルスに周波数構造の証拠はあるか。また、観測周波数によってその性質は変化するのか？

主な発見

• XTE J1810–197からのX線パルスは持続的であり、フレア状態とは異なる状態で検出された。5–10 keV帯域ではパルス分率が0.298 ± 0.009であり、強い変調を示している。
• 異なるエネルギー帯域におけるX線パルスプロファイル間の相対的位相差は小さく、(4–5)/(5–10) keV帯で–0.025 ± 0.003のシフトを示しており、ソフトX線帯域全体でコherentな発光が行われている可能性を示唆している。
• X線と電波パルスの振幅や時間的構造の間に有意な相関は認められず、独立した発光機構であることが示唆された。
• 8.3 GHzの電波パルスには31.9 GHzでは観測されない周波数構造が存在し、多くのパルスが両周波数で同時に検出されなかった。これは、非広帯域発光を示している。
• 8.3および31.9 GHz間の電波スペクトル指数は–0.2 ± 0.2であり、フラットスペクトルと一致しており、平均電波flux密度は8.3 GHzで4.6 ± 0.9 mJy、31.9 GHzで3.7 ± 0.7 mJyであった。
• 電波パルスの特徴は、特に狭帯域で明るく、スペクトル的に構造を持つ点で、高速電波バースト（FRB）に類似しており、一部のFRBが活性化した磁気星に起因するという仮説を支持している。