[論文レビュー] Multi-wavelength observations of the binary system PSR B1259-63/LS 2883 around the 2010-2011 periastron passage

M. Chernyakova, A. A. Abdo+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 52被引用数 68

ひとこと要約

本研究は、2010–2011年の近日点通過期におけるPSR B1259−63/LS 2883連星系の多波長観測を報告し、近日点から約30日後にGeV帯γ線フレアが発生したが、電波、X線、TeV帯に明確な類似フレアは認められなかった。このフレアは、HαおよびBrγ線の等価幅の低下から推定されるBe星の周囲円盤の摂動と関連しており、円盤の破壊と高エネルギー放射の間には物理的関連があると考えられる。

ABSTRACT

We report on broad multi-wavelength observations of the 2010-2011 periastron passage of the gamma-ray loud binary system PSR B1259-63. High resolution interferometric radio observations establish extended radio emission trailing the position of the pulsar. Observations with the Fermi Gamma-ray Space Telescope reveal GeV gamma-ray flaring activity of the system, reaching the spin-down luminosity of the pulsar, around 30 days after periastron. There are no clear signatures of variability at radio, X-ray and TeV energies at the time of the GeV flare. Variability around periastron in the H$\alpha$ emission line, can be interpreted as the gravitational interaction between the pulsar and the circumstellar disk. The equivalent width of the H$\alpha$ grows from a few days before periastron until a few days later, and decreases again between 18 and 46 days after periastron. In near infrared we observe the similar decrease of the equivalent width of Br$\gamma$ line between the 40th and 117th day after the periastron. For the idealized disk, the variability of the H$\alpha$ line represents the variability of the mass and size of the disk. We discuss possible physical relations between the state of the disk and GeV emission under assumption that GeV flare is directly related to the decrease of the disk size.

研究の動機と目的

• 2010–2011年の近日点通過期におけるPSR B1259−63の多波長的挙動、特に高エネルギーγ線フレアの挙動を調査すること。
• 観測されたGeV帯γ線フレアが電波、X線、TeV帯に類似フレアを示すかどうかを特定すること。
• 光学および赤外線分光法を用いてBe星の周囲円盤の状態を検討し、高エネルギー放射におけるその役割を評価すること。
• 高分解能干渉計測定を用いて、パルサーと拡張された電波放射の間の空間的関係を確立すること。
• 特にフレア発生時における同時多波長データが不足しているにもかかわらず、円盤状態の変化とGeVフレアのタイミングとの間の物理的関連を明らかにすること。

提案手法

• Fermi-LATを用いたGeV帯γ線、INTEGRALを用いた硬X線、およびオーストラリア長基線電波干渉計を用いた電波干渉計測定による広帯域多波長観測を実施した。
• パルサーの位置を拡張された電波放射に対して測定するため、クロスキャリブレーションの不確実性を除去した高分解能電波干渉計画像を生成した。
• HαおよびHe I λ6678の光学分光法とBrγの近赤外分光法を用いて、近日点に近い時期における等価幅の時間的変化を追跡した。
• 電波、X線、γ線帯の光曲線を比較し、変動パターンやGeVフレアとの潜在的相関関係を特定した。
• パルサーとBe星の円盤との間の重力的相互作用を仮定した円盤状態の進化モデルを構築し、円盤サイズおよび質量の変化と放射の変化を関連づけた。
• 時間分解スペクトル解析を用いて、X線および電波フラックスの変動を評価し、フレア発生前後における異常を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近日点から約30日後に観測されたGeV帯γ線フレアは、電波、X線、TeV帯に検出可能な類似フレアを示すか？
• RQ2 HαおよびBrγ線の等価幅の変化から推定されるBe星LS 2883の周囲円盤は、パルサーの接近に伴いどのように変化するか？
• RQ3 観測されたHαおよびBrγ線の等価幅の減少とGeVフレアのタイミングとの間に物理的関連があるか？
• RQ4 拡張された電波放射の空間的構造はパルサーに対してどのような形をしているか？また、コメット尾構造を支持するか？
• RQ5 観測されたX線および電波の光曲線は、安定な放射メカニズムで説明可能か？それとも、GeVフレアと関連する微細な不規則性が存在するか？

主な発見

• 近日点から約30日後に強いGeV帯γ線フレアが発生し、パルサーのスピンダウンパワーと同等の放射効率に達したが、電波、X線、TeV帯に明確な類似フレアは認められなかった。
• AUスケールで拡張された電波放射が撮像され、パルサーに続くコメット尾構造を示し、投影距離数10 AUの位置にピーク放射が見られた。
• Hα線の等価幅は近日点前後で増加し、最も接近した時期にピークに達した後、近日点から18–46日後に減少し、円盤の破壊を示唆した。
• Brγ線の等価幅は近日点から40–117日後に減少し、Hαの傾向と整合的であり、円盤状態の変化を裏付けた。
• 電波およびX線の光曲線は、以前の近日点通過と類似の傾向を示し、X線フラックスは近日点の20–30日前に上昇し、近日点後にピークに達したが、フレア発生時における明確な不規則性は検出されなかった。
• 最初に1つのデータセット内でパルサーと拡張された電波放射の位置を同時に測定した結果、源が約100 AUの拡張電波領域内に位置していることが確認され、以前のキャリブレーションの不確実性が解消された。