[論文レビュー] Multi-wavelength observations of 3FGL J2039.6-5618: a candidate redback millisecond pulsar

D. Salvetti, R. Mignani+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、多波長観測を通じて3FGL J2039.6−5618を候補赤バック型ミリ秒パルサーとして特定した。X線および光学の周期的変動源（周期 ≈0.225 d）が検出され、二峰性の光曲線とパワー則的X線スペクトル（ΓX = 1.36 ± 0.09）を示した。この源の性質、特に検出可能な電波放射の欠如と軌道モードの欠如は、赤バック系であると分類する強力な根拠を示しており、低質量の同伴星をもつ中性子星を有する密な連星系である可能性が高い。

ABSTRACT

We present multi-wavelength observations of the unassociated gamma-ray source 3FGL J2039.6-5618 detected by the Fermi Large Area Telescope. The source gamma-ray properties suggest that it is a pulsar, most likely a millisecond pulsar, for which neither radio nor $\gamma$-ray pulsations have been detected yet. We observed 3FGL J2039.6-5618 with XMM-Newton and discovered several candidate X-ray counterparts within/close to the gamma-ray error box. The brightest of these X-ray sources is variable with a period of 0.2245$\pm$0.0081 d. Its X-ray spectrum can be described by a power law with photon index $\Gamma_X =1.36\pm0.09$, and hydrogen column density $N_{ m H} < 4 imes 10^{20}$ cm$^{-2}$, which gives an unabsorbed 0.3--10 keV X-ray flux of $1.02 imes 10^{-13}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$. Observations with the Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector (GROND) discovered an optical counterpart to this X-ray source, with a time-average magnitude $g'\sim 19.5$. The counterpart features a flux modulation with a period of 0.22748$\pm$0.00043 d that coincides, within the errors, with that of the X-ray source, confirming the association based on the positional coincidence. We interpret the observed X-ray/optical periodicity as the orbital period of a close binary system where one of the two members is a neutron star. The light curve profile of the companion star, with two asymmetric peaks, suggests that the optical emission comes from two regions at different temperatures on its tidally-distorted surface. Based upon its X-ray and optical properties, we consider this source as the most likely X-ray counterpart to 3FGL J2039.6-5618, which we propose to be a new redback system.

研究の動機と目的

• 25σ程度の検出有意度を示すにもかかわらず、未分類のフェルミ-LAT γ線源3FGL J2039.6−5618の性質を特定すること。
• γ線誤差円内にX線および光学の対応源が存在するかを調査し、源の性質を制約すること。
• X線および光学の周期的変動とスペクトル的性質に基づき、源が連星ミリ秒パルサー、特に赤バック型であるかどうかを同定すること。
• 光学およびX線光曲線を用いて軌道パラメータを測定し、γ線パルセーションの検出可能性を評価すること。

提案手法

• 3FGL J2039.6−5618の誤差円内に存在するX線対応源を検出し、特徴づけるためにXMM-Newton X線観測を実施した。
• X線光曲線の分析を通じて周期的変動を同定し、正弦波モデルによるフィットにより軌道周期を導出した。
• GRONDを用いた多バンド光学 photometry を実施し、光学対応源を同定し、その輝度変動周期を測定した。
• X線スペクトルをパワー則モデルでフィットし、光子指数（ΓX = 1.36 ± 0.09）と水素吸収密度の上限（NH < 4 × 10²⁰ cm⁻²）を導出した。
• 光学光曲線を二成分温度モデルでモデル化し、非対称な二峰性プロファイルを説明した。このモデルでは、粒子風による中性子星からの放射照射を仮定した。
• X線と光学の変動における位置一致と周期的一致性を用いて、X線源と光学対応源との関連を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3FGL J2039.6−5618は連星ミリ秒パルサーであるか。もしそうならば、その分類（例：赤バック型またはブラックウィドウ型）は何か？
• RQ2 この系の軌道周期は何か？ また、X線および光学光曲線の観測された周期的変動と一致するか？
• RQ3 非対称的で二峰性の光学光曲線の原因は何か？ これは、中性子星からの粒子風による放射照射によって説明可能か？
• RQ4 検出可能な電波放射の欠如は、赤バック系に予想されるように部分的に侵食された同伴星の存在を支持するか？
• RQ5 X線および光学データは、この系の距離および固有の性質を制約できるか？

主な発見

• 3FGL J2039.6−5618の誤差円内に明るいX線源（源3）が検出され、周期が0.2245 ± 0.0081 dの周期的変動を示した。
• X線スペクトルはパワー則でよく記述され、光子指数ΓX = 1.36 ± 0.09、水素吸収密度の上限NH < 4 × 10²⁰ cm⁻²を示しており、低吸収であり、おそらく距離が1 kpc未塔であると示唆している。
• 光学対応源が同定され、時間平均でg′ ∼19.5の等級を示し、0.22748 ± 0.00043 dの周期で輝度変動を示した。これはX線周期と誤差内に一致している。
• 光学光曲線は、位相差約0.3で分離された非対称な二峰性を示しており、これは光子ではなく粒子風による中性子星からの放射照射による加熱を示唆している。
• この系の性質、特に軌道周期、二峰性光曲線、検出可能な電波放射の欠如は、赤バック型ミリ秒パルサーとしての分類を強く支持している。
• この源は3FGL J2039.6−5618の最も可能性の高いX線対応源と提案されており、γ線パルセーションの畳み込みを可能にするために、径速度曲線の確認のための光学スペクトロスコピーが求められている。