[論文レビュー] Glitches in four gamma-ray pulsars and inferences on the neutron star structure

Erbil Gügercinoğlu, M. Y. Ge+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 126被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、4つのガンマ線パルサー（Vela、J1023−5746、J2111+4606、J2229+6114）の10年間にわたるFermi-LAT解析を実施し、タイミング解法とバッディング・クリープモデルを用いて20個のグルーチ（うち11個は新たに同定）を特定した。グルーチ活動は回転減速率に比例しており、PSR J1023−5746が最も活発であることが判明した。また、超流動領域の慣性モーメントと結合時定数を含む中性子星の構造的パラメータが導出され、PSR J2229+6114のグルーチ補正後のブレーキング指数n=2.63(30)が測定された。

ABSTRACT

We present timing solutions from the Fermi-LAT observations of gamma-ray pulsars PSR J0835$-$4510 (Vela), PSR J1023$-$5746, PSR J2111$+$4606, and PSR J2229$+$6114. Data ranges for each pulsar extend over a decade. From data analysis we have identified a total of 20 glitches, 11 of which are new discoveries. Among them, 15 glitches are large ones with $\Delta u/ u\gtrsim10^{-6}$. PSR J1023$-$5746 is the most active pulsar with glitch activity parameter being $A_{ m g}=14.5 imes10^{-7}$\yr~in the considered data span and should be a target for frequently glitching Vela-like pulsars in future observations. We have done fits within the framework of the vortex creep model for 16 glitches with $\Delta u/ u\gtrsim10^{-7}$. By theoretical analysis of these glitches we are able to obtain important information on the structure of neutron star, including moments of inertia of the superfluid regions participated in glitches and coupling time-scales between various stellar components. The theoretical prediction for the time to the next glitch from the parameters of the previous one is found to be in qualitative agreement with the observed inter-glitch time-scales for the considered sample. Recoupling time-scales of the crustal superfluid are within the range of theoretical expectations and scale inversely with the spin-down rate of a pulsar. We also determined a braking index n=2.63(30) for PSR J2229$+$6114 after glitch induced contributions have been removed.

研究の動機と目的

• 本論文の目的は、ガンマ線パルサーにおけるグルーチ観測を通じて中性子星の内部構造を理解することにある。
• グルーチ特性が中性子星の力学的挙動および超流動結合にどのように関連するかを調査すること。
• グルーチに参加する超流動領域の慣性モーメントと結合時定数を特定すること。
• グルーチ回復の理論的モデルを検証し、超流動が中性子星の回転減速に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 著者らは、10年以上にわたるFermi-LATデータを用いて、4つのガンマ線パルサーの高精度タイミング解を生成した。
• グルーチは、グルーチ前のモデルからの回転周波数および回転減速率のずれを分析することで同定した。
• バッディング・クリープモデルを用いて16個の大きなグルーチ（∆ν/ν ≳10−7）をフィットし、指数回復および遅延応答成分を組み込んだ。
• グルーチ後のタイミング残差は、周波数ジャンプ、回転減速率の変化、回復時定数を含む現象的方程式でモデル化した。
• グルーチ由来の寄与を除去した後、PSR J2229+6114のブレーキング指数を導出した。
• 統計的フィッティングと誤差伝搬を用いて、結合時定数や慣性モーメントなどの導出パラメータの不確実性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線パルサーにおけるグルーチ特性は、中性子星の内部構造および超流動ダイナミクスとどのように関連するか？
• RQ2 超流動領域とクライスト/コア間の結合時定数は何か？また、回転減速率に応じてどのように変化するか？
• RQ3 バッディング・クリープモデルは、これらのパルサーにおけるグルーチ後回復をどの程度説明できるか？
• RQ4 グルーチ寄与を除去した後、PSR J2229+6114のブレーキング指数は何か？これは回転減速メカニズムに何を示唆するか？
• RQ5 グルーチの再発間隔および大きさは、パルサーの回転減速率にどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 4つのガンマ線パルサーにおいて合計20個のグルーチが同定され、そのうち11個は新たに発見された。
• PSR J1023−5746は最も高いグルーチ活動を示し、活動パラメータAg = 14.5 × 10−7 yr−1であった。
• 15個のグルーチが大きなもの（∆ν/ν ≳10−6）であり、顕著な角運動量移動を示した。
• バッディング・クリープモデルは16個の大きなグルーチを成功裏にフィットし、回転減速率の逆数に比例する結合時定数を導出し、理論的予測と整合的であった。
• いくつかのパルサーについて、グルーチに参加する超流動領域の慣性モーメントが制限された。
• グルーチ寄与を除去した後、PSR J2229+6114のブレーキング指数はn = 2.63(30)であった。これは非デュポール的回転減速メカニズムを示唆している。