[論文レビュー] Five and a half roads to form a millisecond pulsar

Thomas M. Tauris|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、白色矮星または亜恒星伴星を伴う完全に再サイクル化されたミリ秒パルサー（MSP）を生じるX線連星の進化に焦点を当て、MSPの形成経路をレビューしている。5つの主要な形成経路（低質量X線連星（LMXB）の2つと中質量X線連星（IMXB）の3つ）に加え、異常系の半分の経路を特定し、Roche極限の満たされた時点での供給星の進化段階に基づいている。主な知見は、吸着効率とPSR J1614−2230の質量制約に関するものである。

ABSTRACT

In this review I discuss the characteristics and the formation of all classes of millisecond pulsars (MSPs). The main focus is on the stellar astrophysics of X-ray binaries leading to the production of fully recycled MSPs with white dwarf (WD) or substellar semi-degenerate companions. Depending on the nature of the companion star MSPs are believed to form from either low-mass X-ray binaries (LMXBs) or intermediate-mass X-ray binaries (IMXBs). For each of these two classes of X-ray binaries the evolutionary status of the donor star -- or equivalently, the orbital period -- at the onset of the Roche-lobe overflow (RLO) is the determining factor for the outcome of the mass-transfer phase and thus the nature of the MSP formed. Furthermore, the formation of binary MSPs is discussed in context of the (P,P_dot)-diagram, as well as new interpretations of the Corbet diagram. Finally, I present new models of Case A RLO of IMXBs in order to reproduce the two solar mass pulsar PSR J1614-2230.

研究の動機と目的

• X線連星進化を通じてミリ秒パルサー（MSP）の形成経路を分類・特徴づけること。
• Roche極限の満たされた時点での供給星の進化段階（RLO）が質量移動の結果とMSPの性質にどのように影響するかを特定すること。
• 観測されたMSP集団を$P\dot{P}$-ダイアグラムとCorbetダイアグラムを用いて解釈し、軌道パラメータと形成歴を結びつけること。
• 中質量X線連星（IMXB）におけるCase A Roche極限の満たしをモデル化し、PSR J1614−2230（$1.97\,M_\odot$）の高質量を説明すること。
• LMXBにおける吸着効率を評価し、磁気圏放出やディスク不安定性により、吸着された物質の50％未満が保持される可能性があることを明らかにすること。

提案手法

• X線連星の星進化モデルを用い、軌道角運動量方程式$\dot{a}/a = 2\dot{J}_{\rm orb}/J_{\rm orb} - 2\dot{M}_1/M_1 - 2\dot{M}_2/M_2 + (\dot{M}_1 + \dot{M}_2)/M$に従う質量移動の安定性と角運動量の進化に注目する。
• RLO時の供給星の進化段階（Case A：主系列、Case B：水素シェル燃焼、Case C：ヘリウムシェル燃焼）に基づき、形成経路を分類する。
• $P\dot{P}$-ダイアグラムとCorbetダイアグラムを用いて、観測されたMSP集団を解釈し、形成歴を推定する。
• PSR J1614−2230の高質量を再現するため、IMXBにおける新しいCase A RLOモデルを計算し、高い吸着効率と低い質量損失を要件とする。
• 重力波放射、磁気的ブレーキ、スピン-軌道結合を含む非保存的質量移動が軌道進化に与える影響を分析する。
• 観測されたパルサー質量とモデル予測を比較することで、吸着効率を評価し、プロペラ効果やディスク不安定性といった放出機構を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線連星が、白色矮星または亜恒星伴星を伴う完全に再サイクル化されたMSPに進化する条件は何か？
• RQ2 Roche極限の満たされた時点での供給星の進化段階（Case A, B, C）が、最終的なMSPの性質にどのように影響するか？
• RQ3 なぜLMXBでは、Eddington率未満であっても、吸着効率がしばしば50％未満になるのか？
• RQ4 PSR J1614−2230（$1.97\,M_\odot$）の高質量は、X線連星進化モデルでどのように説明できるか？
• RQ5 $P\dot{P}$-ダイアグラムとCorbetダイアグラムは、やや再サイクル化されたMSPの形成歴について何を明らかにするか？

主な発見

• MSPの伴星の性質（白色矮星または亜恒星）は、前身がLMXBかIMXBかを示しており、RLO時の供給星の質量と進化段階が鍵となる。
• IMXBにおけるCase A RLOは、PSR J1614−2230の高質量を再現可能であり、高い吸着効率と最小限の質量損失を要件とする。
• LMXBにおける吸着効率は、磁気圏放出（例：プロペラ効果）やディスク不安定性のため、Eddington率未満であってもしばしば50％未満である。
• ヘリウム白色矮星伴星のMSPにおけるパルサー質量と軌道周期の逆相関は、まだ確認されていない。これは、中性子星の形成時の質量分散と観測的制限のためである。
• ヘリウム白色矮星伴星を伴うMSPのCorbetダイアグラムには、やや再サイクル化されたシステムに関する情報が含まれており、異なる形成経路を示唆している。
• パルサー質量の観測的制約（1.17–1.97 $M_\odot$）は、再サイクル化の程度や初期中性子星質量のばらつきによる分散を示しており、より正確な質量測定の必要性を強調している。