[論文レビュー] Coordinated X-ray, Ultraviolet, Optical, and Radio Observations of the PSR J1023+0038 System in a Low-mass X-ray Binary State

Slavko Bogdanov, Anne M. Archibald+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

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

ひとこと要約

本研究では、低質量X線連星（LMXB）状態にあるPSR J1023+0038の多波長観測を報告し、X線放射率モードの急速かつ頻繁な切り替えを明らかにした。3つのモードが観測された：安定した$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$モード（コherentなパルスを示す）、$5\times10^{32}$ erg s$^{-1}$の低輝度モード（パルスなし）、および$10^{34}$ erg s$^{-1}$に達する一時的なフレア。観測中、降着中は電波パルスが検出されなかったが、変動的で平坦スペクトルの電波放射が検出され、弱いジェットに一致するものであり、X線と電波の変動に相関は認められず、既存の降着モデルに反する。

ABSTRACT

The PSR J1023+0038 binary system hosts a neutron star and a low-mass, main-sequence-like star. It switches on year timescales between states as an eclipsing radio millisecond pulsar and a low-mass X-ray binary. We present a multi-wavelength observational campaign of PSR J1023+0038 in its most recent low-mass X-ray binary state. Two long XMM-Newton observations reveal that the system spends ~70% of the time in a $\approx$$3 imes10^{33}$ erg/s X-ray luminosity mode, which, as shown in Archibald et al. (2014), exhibits coherent X-ray pulsations. This emission is interspersed with frequent lower flux mode intervals with $\approx$$5 imes 10^{32}$ erg/s and sporadic flares reaching up to $\approx$$10^{34}$ erg/s, with neither mode showing significant X-ray pulsations. The switches between the three flux modes occur on timescales of order 10 s. In the UV and optical, we observe occasional intense flares coincident with those observed in X-rays. Our radio timing observations reveal no pulsations at the pulsar period during any of the three X-ray modes, presumably due to complete quenching of the radio emission mechanism by the accretion flow. Radio imaging detects highly variable, flat-spectrum continuum emission from PSR J1023+0038, consistent with an origin in a weak jet-like outflow. Our concurrent X-ray and radio continuum data sets do not exhibit any correlated behavior. The observational evidence we present bears qualitative resemblance to the behavior predicted by some existing propeller and trapped disk accretion models although none can fully account for all aspects of the rich phenomenology of this system.

研究の動機と目的

• PSR J1023+0038の低質量X線連星状態における降着ダイナミクスを理解すること。これは、電波パルサーとX線連星状態の間を移行する稀な遷移系である。
• 急速なX線放射率変動（コherentパルスやフレアを含む）の原因を調査し、それらが電波および光学活動とどのように関連しているかを解明すること。
• 観測されたX線および電波の挙動が、プロペラーや捕獲ディスク降着の理論的モデルと整合するかを検証すること。
• 磁気圏不安定性やディスクの変形が、一時的な降着フレアを駆動している役割を評価すること。
• 高磁場系における中性子星の自転速度進化および降着トーキングメカニズムに及ぼす長期的影響を評価すること。

提案手法

• XMM-Newtonを用いた連続X線観測により、$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$モードにおける放射率モードとコherentパルスの検出を実施した。
• 同時に行われた紫外および光学の光度測定により、X線活動と一致するフレアの特定を試みた。
• 1.7 ms周期のパルスを探索するため、電波タイミング観測を実施し、X線状態の異なる段階で重点的に観測した。
• 電波イメージングデータを取得し、弱いジェットに類似した出力の兆候である平坦スペクトル連続放射の検出と特徴の特定を実施した。
• X線および電波の光曲線を同時に分析し、両バンド間の相関する変動の有無を検証した。
• 観測結果をプロペラーや捕獲ディスク降着モデルの予測と比較し、モデルの整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR J1023+0038で観測される、明確に区別されるX線放射率モード間の急速かつ頻繁な切り替えの原因は何か。また、降着物理学とどのように関係しているか。
• RQ2 なぜコherentなX線パルスは$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$モードでのみ観測されるのか。低輝度モードではパルスが観測されないことは、降着流の幾何学的構造に何を示唆するのか。
• RQ3 一時的なX線フレアが$10^{34}$ erg s$^{-1}$に達する原因は何か。これはディスク不安定性や磁気圏の破壊と関連しているのか。
• RQ4 どのX線モードでも検出されない電波パルスの理由は何か。変動的で平坦スペクトルの電波放射の存在は、ジェット形成に何を示唆しているのか。
• RQ5 プロペラーや捕獲ディスクモデルなどの既存の降着モデルが、この系の全現象をどの程度説明できるか。

主な発見

• システムは、約70％の時間を安定した$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$のX線放射率モードに滞在しており、コherentなX線パルスを示す。
• X線パルスのない短時間の間隔で、$5\times10^{32}$ erg s$^{-1}$の輝度状態が頻繁に出現しており、これは降着が停止しているか、非常に破壊された降着状態を示唆している。
• 一時的なフレアは$10^{34}$ erg s$^{-1}$に達し、パルスは観測されないため、不安定または一時的な降着プロセスを示している。
• 電波タイミング観測では、どのX線モードでも1.7 ms周期のパルスが検出されず、降着流によって電波放射メカニズムが抑制されている可能性が高い。
• 電波イメージングにより、変動的で平坦スペクトルの連続放射が検出され、弱く断続的なジェットに類似した出力と一致する。
• X線と電波の連続放射光曲線間に顕著な相関は認められず、両バンドの変動が独立していることが示唆された。