[論文レビュー] Galactic neutron stars I. Space and velocity distributions in the disk and in the halo

N. Sartore, E. Ripamonti+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 46被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、異なる銀河ポテンシャルおよび初期速度仮定の下で、銀河系中性子星（NS）の位相空間分布をモンテカルロシミュレーションでモデル化する。約80%のNSが束縛軌道にあるが、高い速度のため約20%しかディスクにとどまらず、大部分はハローに分布している。これは、特にハローに多数の検出不能な古いNSが存在することを示唆し、降着、近接性、微小レンズ効果による観測可能性を制約する。

ABSTRACT

Aims. Neutron stars (NSs) produced in the Milky Way are supposedly ten to the eighth - ten to the ninth, of which only $\sim 2 imes 10^{3}$ are observed. Constraining the phase space distribution of NSs may help to characterize the yet undetected population of stellar remnants. Methods. We perform Monte Carlo simulations of NS orbits, under different assumptions concerning the Galactic potential and the distribution of progenitors and birth velocities. We study the resulting phase space distributions, focusing on the statistical properties of the NS populations in the disk and in the solar neighbourhood. Results. It is shown that $\sim 80$ percent of NSs are in bound orbits. The fraction of NSs located in a disk of radius 20 kpc and width 0.4 kpc is $\lesssim 20$ percent. Therefore the majority of NSs populate the halo. Fits for the surface density of the disk, the distribution of heights on the Galactic plane and the velocity distribution of the disk, are given. We also provide sky maps of the projected number density in heliocentric Galactic coordinates (l, b). Our results are compared with previous ones reported in the literature. Conclusions. Obvious applications of our modelling are in the revisiting of accretion luminosities of old isolated NSs, the issue of the observability of the nearest NS and the NS optical depth for microlensing events. These will be the scope of further studies.

研究の動機と目的

• 銀河系における中性子星（NS）の位相空間分布、特に検出不能な古い孤立NSの集団を制約すること。
• 銀河ポテンシャルおよびNS初期速度分布の異なる仮定が、NSの空間的・運動的分布に与える影響を調査すること。
• ディスクに留まるNSの割合とハローに打ち出されるNSの割合を定量化し、局所的なNS密度および速度分散を推定すること。
• ディスクにおける表面密度、スケール高さ、速度分布の統計的モデルを提供し、日心銀河座標におけるNSの投影数密度のスカイマップを生成すること。
• 今後の研究における降着光度、近接NSの観測可能性、微小レンズ効果の光学的厚さを、古いNSの位相空間分布を分離することで可能にすること。

提案手法

• ディスク、バルジ、ハローの最新の質量分布を用いた現実的な銀河ポテンシャルを用いて、NS軌道のモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 文献から得た複数のNS初期速度分布（ガウス分布、マクスウェル分布、およびパulsar観測から得た経験的分布、例：H05、F06、A02）を採用する。
• 重力の作用下でNSの軌道を時間的に積分し、空間的・運動的進化を追跡することで、束縛状態と非束縛状態を特定する。
• ディスクおよび太陽系近傍における表面密度、スケール高さ（半密度半厚さ）、速度分散といった統計的性質を計算する。
• 異なるモデルにおける銀河座標（l, b）におけるNSの投影数密度のスカイマップを生成する。
• 過去の研究（例：P90、BR、BM、Z95、P00）と比較することで、一貫性およびモデル依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系に存在する中性子星のうち、どの程度が束縛軌道にあるか。また、初期速度分布の仮定に依存するか。
• RQ2 高い初期速度を伴う場合、どの程度の中性子星が銀河ディスクにとどまるか。全集団に比べてどの程度か。
• RQ3 太陽系近傍および銀河ディスクにおける予測される表面密度、スケール高さ、速度分布は何か。
• RQ4 更新された銀河ポテンシャルモデルが、中性子星の脱出率および軌道進化に与える影響は何か。
• RQ5 得られた位相空間分布が、降着、近接性、または微小レンズ効果による古い孤立中性子星の観測可能性に与える影響は何か。

主な発見

• 約80%の中性子星が束縛軌道にあるが、そのうち約20%しかディスク（半径20 kpc以内、スケール高さ0.4 kpc以内）にとどまらず、大部分はハローに分布している。
• 局所的な空間的密度は1 × 10⁻⁴〜5 × 10⁻⁴（10⁹個の星あたりpc⁻³）の間と推定され、太陽に最も近い中性子星は約10 pc以内に存在すると示唆される。
• ディスク内での低速NS（v ≤ 50 km s⁻¹）は極めてまれで、割合f₅₀ ≈ 0.001である。この割合は局所標準座標系（LSR）では約0.05に増加するが、F06P分布を除き、その挙動は異なる。
• 更新された銀河ポテンシャルを用いたモデルでは、ディスクおよびバルジの質量が増加したため、ディスク集団の半密度スケール高さが10〜20%低下する。
• 非束縛NSは大半の半径（r ~ 500 kpc）で支配的であり、ハローにおける位相空間分布は明確に束縛および非束縛集団に分離している。
• 高エネルギー初期速度分布（例：H05、F06E、F06L）を用いたモデルでは、脱出率が最も高く（約30%）、ROSATおよびパルサー調査からの観測的制約と整合的である。