[論文レビュー] CHIME Discovery of a Binary Pulsar with a Massive Non-Degenerate Companion

Bridget C. Andersen, Emmanuel Fonseca+26 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、CHIME電波望遠鏡を用いて、3.26 kpcの距離に位置する質量が大きく非縮重状態のOBe星を伴う0.577 sの連星パルサーPSR J2108+4516の発見を報告する。この系は分散測定値と散乱の強い軌道的モード変化を示し、また深いつぐみを伴うため、周囲星間円盤または高密度の星風が存在すると示唆される。高分解能画像化により、同伴星がEM* UHA 138として特定され、質量は17.5–23 M☉、軌道傾きは50.3°–58.3°と制約され、パルサー風の相互作用や拡張体の運動学的挙動を研究するための稀な実験的環境となる。

ABSTRACT

Of the more than $3{,}000$ radio pulsars currently known, only ${\sim}300$ are in binary systems, and only five of these consist of young pulsars with massive non-degenerate companions. We present the discovery and initial timing, accomplished using the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment telescope (CHIME), of the sixth such binary pulsar, PSR J2108+4516, a $0.577$-s radio pulsar in a 269-day orbit of eccentricity 0.09 with a companion of minimum mass $11$ M$_{\odot}$. Notably, the pulsar undergoes periods of substantial eclipse, disappearing from the CHIME $400{-}800$ MHz observing band for a large fraction of its orbit, and displays significant dispersion measure and scattering variations throughout its orbit, pointing to the possibility of a circumstellar disk or very dense stellar wind associated with the companion star. Subarcsecond resolution imaging with the Karl G. Jansky Very Large Array unambiguously demonstrates that the companion is a bright, $V \simeq 11$ OBe star, EM* UHA 138, located at a distance of $3.26(14)$ kpc. Archival optical observations of \companion{} approximately suggest a companion mass ranging from $17.5$ M$_{\odot} < M_{ m c} < 23$ M$_{\odot}$, in turn constraining the orbital inclination angle to $50.3^{\circ} \lesssim i \lesssim 58.3^{\circ}$. With further multi-wavelength followup, PSR J2108+4516 promises to serve as another rare laboratory for the exploration of companion winds, circumstellar disks, and short-term evolution through extended-body orbital dynamics.

研究の動機と目的

• 質量が大きく非縮重状態の同伴星を有する希少な連星パルサーを特定・特徴づけること。このような系は、パルサー風の相互作用や星の進化を研究する上で極めて重要である。
• このような系において観測される軌道位相依存の分散測定値および散乱の変動の背後にある物理的メカニズムを解明すること。
• 特に同伴星の特定と質量の決定を目的とした多波長フォローアップを通じて、質量が大きな同伴星の性質を特定すること。
• 光学および電波データを組み合わせて、軌道傾きと系の幾何的配置を制約し、拡張体の軌道力学の検証を可能にすること。
• PSR J2108+4516を、高質量連星系における周囲星間円盤および星風の相互作用を研究するための新しい実験的実験環境として確立すること。

提案手法

• 400–800 MHz帯域で複数回の観測を実施し、カナダ水素強度マッピング実験（CHIME）を用いてパルサーを検出・時刻測定した。
• 高精度な時刻解法を用いて、269日周期、離心率0.09の軌道パラメータを測定し、同伴星の最小質量が11 M☉であることを特定した。
• PulsePortraitureソフトウェアを用いてパルスプロファイルをモデル化し、信号対雑音比とパrameter間の共分散を考慮した分散測定値（DM）および散乱時間の抽出を実施した。
• カール・G・ジャンスキー・非常に大規模電波望遠鏡（VLA）を用いて、サブアーキセコンド分解能の画像化を実施し、光学的対応体を解像し、EM* UHA 138としての同定を確認した。
• アーカイブ済みの光学的光度測定およびアストロメトリーを統合し、同伴星の質量範囲（17.5–23 M☉）を推定し、軌道傾き（50.3°–58.3°）を制約した。
• PulsePortraitureおよびPsrchiveを用いた広範なシミュレーションを通じて、SNRと散乱レベルへの感受性を評価し、DMおよび散乱測定値の正確性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR J2108+4516の質量が大きく非縮重状態の同伴星の性質は何か。その質量および軌道傾きは、系の力学的挙動にどのように影響を与えるか。
• RQ2 なぜパルサーは、軌道位相に依存する深いつぐみと顕著な分散測定値および散乱の変動を示すのか。
• RQ3 高分解能電波画像化により、光学的対応体が解像可能であり、OBe星としての同定が可能かどうか。
• RQ4 周囲星間円盤や高密度星風といった物理的構造が、観測された散乱およびDMの変動を説明できるか。
• RQ5 この系の構成は、質量の大きな連星系の進化およびパルサー風の相互作用のモデルにどのように寄与するか。

主な発見

• PSR J2108+4516は、0.577 sの電波パルサーであり、269日周期、離心率0.09の軌道を回り、最小質量11 M☉の質量の大きな同伴星を有する。
• パルサーは、軌道の大部分において深いつぐみを示し、強い軌道位相依存の分散測定値および散乱の変動を示す。
• 高分解能VLA画像化により、同伴星が明確にEM* UHA 138として特定され、距離は3.26(14) kpcに位置するOBe星である。
• アーカイブ光学データにより、同伴星の質量は17.5–23 M☉に制約され、これにより軌道傾きは50.3°–58.3°と推定される。
• 系は顕著な散乱変動を示し、一部の観測では10 msを超える値を示す。PulsePortraitureはSNR > 10の条件下で、不確実性内に真の散乱値を正確に回復できる。
• 観測された散乱およびDMのモード変化は、OBe星の周囲に円盤または高密度星風が存在することを示唆しており、Be星の物理的性質と整合的である。