[論文レビュー] Long-Term Radio Timing Observations of the Transition Millisecond Pulsar PSR~J1023+0038

Anne M. Archibald, V. M. Kaspi+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、遷移ミリ秒パルサー PSR J1023+0038 の4年間の電波タイミング観測を提示し、変動する食、分散測定値の変化、軌道周期の変調といった複雑な振るまいを明らかにした。著者らは、これらの現象を非縮重伴星における磁気活動の証拠と解釈し、それが完全対流型の低質量伴星が非磁気的であると予測する進化モデルに反するものであるとし、γ線放射における回転周期のmodulationが3.7σの有意性を示す証拠を得た。これは、γ線放射がパルサー由来であることを支持するものである。

ABSTRACT

The radio millisecond pulsar PSR J1023+0038 exhibits complex timing and eclipse behavior. Here we analyze four years' worth of radio monitoring observations of this object. We obtain a long-term timing solution, albeit with large residual timing errors as a result of apparent orbital period variations. We also observe variable eclipses when the companion passes near our line of sight, excess dispersion measure near the eclipses and at random orbital phases, and short-term disappearances of signal at random orbital phases. We interpret the eclipses as possibly due to material in the companion's magnetosphere supported by magnetic pressure, and the orbital period variations as possibly due to a gravitational quadrupole coupling mechanism. Both of these mechanisms would be the result of magnetic activity in the companion, in conflict with evolutionary models that predict it should be fully convective and hence non-magnetic. We also use our timing data to test for orbital and rotational modulation of the system's $γ$-ray emission, finding no evidence for orbital modulation and $3.7σ$ evidence for modulation at the pulsar period. The energetics of the system make it plausible that the $γ$-ray emission we observe is entirely from the millisecond pulsar itself, but it seems unlikely for these $γ$-rays to provide the irradiation of the companion, which we attribute instead to X-ray heating from a shock powered by a particle wind.

研究の動機と目的

• 4年間の電波観測を用いて、遷移ミリ秒パルサー PSR J1023+0038 の長期的タイミング挙動を特徴づけること。
• この系における変動する食、分散測定値の変化、軌道周期の変化の原因を調査すること。
• 精密なタイミング解を用いて、γ線放射における軌道的および回転的modulationの有無をテストすること。
• 観測された現象が、特に低質量で完全対流型の伴星における磁気活動に関して、二重星進化モデルに与える影響を評価すること。
• この系が再び降着状態に戻った際の比較のための詳細な基準状態を提供すること。

提案手法

• アーリーボ、グリーン・バック・テレスコープ、ウェスティンボルク合成電波望遠鏡、ローレル望遠鏡の4つの異なる機器を用いて、長期的な電波タイミング観測を実施した。
• コherentlyな分散補正とPSRFITS形式での畳み込みを用いて、複数の観測バンドで高精度なパルスプロファイルを生成した。
• 明らかな軌道周期の変化に起因する大きな残差タイミング誤差が存在するにもかかわらず、長期的なタイミング解を生成した。
• 食の挙動（深さと持続時間の変動）を分析し、それらが軌道位相および分散測定値の変化と関連しているかを検討した。
• Fermi-LAT が得たγ線光曲線と電波タイミング解を照合し、軌道的および回転的modulationの有無を調査した。
• 系のエネルギー収支をモデル化し、γ線放射が伴星を照射するか、あるいは衝撃駆動風によるX線加熱がより妥当な説明であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR J1023+0038 で観測された変動する食の原因は何か？ また、それらは軌道位相および分散測定値の変化とどのように関係しているか？
• RQ2 完全対流により非磁気的であると予測される伴星を有する系で、なぜ軌道周期の変化が生じるのか？
• RQ3 PSR J1023+0038 のγ線放射は、パルサー自転周期の周波数でmodulationされているか、それとも軌道周期の周波数でmodulationされているか？
• RQ4 観測された現象は、伴星における磁気活動によって説明可能か？ また、これは標準的な二重星進化モデルとどのように矛盾するか？
• RQ5 照射された伴星の主な加熱機構は何か？ それはパルサーからのγ線放射か、衝撃駆動風によるX線加熱か？

主な発見

• PSR J1023+0038 の長期的タイミング解は、明らかな軌道周期の変化に起因する大きな残差タイミング誤差を示しており、モデル化されていない力学的効果を示唆している。
• 食は深さと持続時間が変動し、伴星が視線方向に近づく際に発生する。これに伴い分散測定値の過剰が観測され、系内にイオン化された物質が存在することを示している。
• 短時間の信号消失は、ランダムな軌道位相で発生し、非束縛のプラズマによる一時的な遮断を示している。
• 著者らは、これらの食を伴星の磁気圏に支えられた物質によるものと解釈し、完全対流型の伴星に対して標準モデルが予測する非磁気的性質とは矛盾する磁気活動を示唆している。
• 軌道周期の変化は、重力四極子結合によるものである可能性が示唆されており、これもまた伴星における磁気活動を示唆している。
• Fermi-LAT のデータは、γ線放射がパルサー自転周期でmodulationされていることについて3.7σの有意性を示しており、軌道周期でのmodulationは顕著でない。これは、γ線放射がパルサー自身によって生成されている可能性が高いことを示している。