[論文レビュー] Millisecond Pulsars in X-Ray Binaries

Deepto Chakrabarty|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、低質量X線連星におけるミリ秒パルサーのスピン進化を調査し、降着駆動パルサーがまれであることを示し、X線バースト中に露わになる核反応駆動ミリ秒パルサーが、730 Hzで明確なスピン周波数のカットオフを示していることを明らかにした。これは、準ミリ秒パルサーが極めてまれであることを示唆している。大多数の系で恒常的パルスが観測されないのは、降着物質に磁場が遮蔽されている可能性を示しており、重力波放射がスピンアップを止めるために角運動量の吸収源として機能している可能性がある。

ABSTRACT

Despite considerable evidence verifying that millisecond pulsars are spun up through sustained accretion in low-mass X-ray binaries (LMXBs), it has proven surprisingly difficult to actually detect millisecond X-ray pulsars in LMXBs. There are only 5 accretion-powered millisecond X-ray pulsars known among more than 80 LMXBs containing neutron stars, but there are another 11 "nuclear powered" millisecond pulsars which reveal their spin only during brief, thermonuclear X-ray bursts. In addition, 2 of the accretion-powered pulsars also exhibit X-ray burst oscillations, and their unusual properties, along with the absence of persistent pulsations in most LMXBs, suggest that the magnetic fields in many LMXBs may be hidden by accreted material. Interestingly, the nuclear-powered pulsars offer a statistically unbiased probe of the spin distribution of recycled pulsars and show that this distribution cuts off sharply above 730 Hz, well below the breakup spin rate for most neutron star equations of state. This indicates that some mechanism acts to halt or balance spin-up due to accretion and that submillisecond pulsars must be very rare (and are possibly nonexistent). It is unclear what provides the necessary angular momentum sink, although gravitational radiation is an attractive possibility.

研究の動機と目的

• 理論的予想とは対照的に、降着駆動ミリ秒X線パルサーがなぜまれであるかを理解すること。
• X線バースト中に検出された核反応駆動ミリ秒パルサーを用いて、再サイクルパルサーのスピン分布を調査すること。
• 大多数のLMXBで恒常的パルスが観測されない理由を、重力波放射や磁場遮蔽といった物理的メカニズムが説明できるかどうかを特定すること。
• 中性子星の最大スピン周波数を制約し、準ミリ秒パルサーの存在を評価すること。
• 重力波放射が降着トルクと釣り合い、中性子星のスピンアップを止める役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• RXTE（ロッシX線時間観測機器）のX線データを分析し、降着中の中性子星におけるミリ秒スケールの変動を検出すること。
• キロヘルツ帯の準周期的振動（kHz QPOs）とX線バースト振動を、中性子星のスピンおよび降着ダイナミクスのプローブとして用いること。
• 13個の核反応駆動ミリ秒パルサーのスピン周波数に対して統計解析を適用し、スピン分布の上限を推定すること。
• 降着トルク理論を用いて平衡スピン周期をモデル化する：$ P_{\rm eq} \sim 1\,\text{s} \left( \frac{B}{10^{12}\,\text{G}} \right)^{6/7} \left( \frac{\dot{M}}{10^{-9}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}} \right)^{-3/7} $。
• rモード不安定性およびクリーストラムの四極モーメントを介した重力波放射の役割を、角運動量損失メカニズムとして評価すること。
• 観測されたスピン分布と理論的モデルを比較し、重力波放射が降着トルクと釣り合うかどうかを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的には予想されるが、80個以上の中性子星を含むLMXBのうち、降着駆動ミリ秒X線パルサーはわずか5個しか検出されていないのはなぜか？
• RQ2 核反応駆動ミリ秒パルサーのスピン周波数分布に、約730 Hzで明確なカットオフが見られるのは、何が原因か？
• RQ3 中性子星が表面磁場を十分に持つと予想されるにもかかわらず、大多数のLMXBで恒常的パルスが観測されないのは、どのように説明できるか？
• RQ4 中性子星が破壊周波数に達するのを防ぐ物理的メカニズムは何か、もしあるならば？
• RQ5 rモード不安定性や降着によって誘発される四極モーメントから生じる重力波放射が、観測されたスピン分布を説明するのに必要な角運動量損失を提供できるか？

主な発見

• 核反応駆動ミリ秒パルサーのスピン周波数分布には、95％信頼区間で730 Hzで明確なカットオフが見られ、準ミリ秒パルサーは極めてまれまたは存在しないことを示唆している。
• 観測された最大スピン周波数730 Hzは、641 Hzで回転する既知の最速のミリ秒電波パルサーPSR B1937+21と整合的である。
• バースト振動サンプルで619 Hz以上のパルサーが欠落しているのは、感度の制限によるものではなく、RXTEは2 kHzまで感度を保っている。
• 大多数のLMXBで恒常的ミリ秒パルスが観測されないのは、磁場が降着物質に遮蔽されている可能性を示しており、弱磁場中性子星が検出可能なX線パルスを発生させるとの期待に反する。
• rモード不安定性や降着によって誘発される四極モーメントからの重力波放射は、降着トルクと釣り合い、スピンアップを止める可能性のある妥当なメカニズムである。
• 電波パルサー調査の独立的結果も、最大スピン周波数が約700 Hzであることを支持しており、730 Hzのカットオフの観測的一致性を強化している。