[論文レビュー] On Fossil Disk Models of Anomalous X-Ray Pulsars

G. J. Francischelli, R. A. M. J. Wijers|arXiv (Cornell University)|May 14, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、異常X線パulsar（AXPs）を説明するための磁星モデルの代替としての化石ディスクモデルを批判的に評価する。化石ディスクモデルには深刻な不一致が生じることを示している：Kramersの透過率則は高い磁場（>10^12 G）を要し、必要なプロペラトルクは観測的に現実的でない。特にSMC X-1のようなHMXB系と照らし合わせると顕著である。これらの結果は、化石ディスクシナリオよりも磁星モデルを強く支持する。

ABSTRACT

Currently, two competing models are invoked in order to explain the observable properties of Anomalous X-ray Pulsars (AXPs). One model assumes that AXP emission is powered by a strongly magnetized neutron star - i.e., a magnetar. Other groups have postulated that the unusually long spin periods associated with AXPs could, instead, be due to accretion. As there are severe observational constraints on any binary accretion model, fossil disk models have been suggested as a plausible alternative. Here we analyze fossil disk models of AXPs in some detail, and point out some of their inherent inconsistencies. For example, we find that, unless it has an exceptionally high magnetic field strength, a neutron star in a fossil disk cannot be observed as an AXP if the disk opacity is dominated by Kramers' law. However, standard alpha-disk models show that a Kramers opacity must dominate for the case log B > 12, making it unlikely that a fossil disk scenario can successfully produce AXPs. Additionally, we find that in order to sufficiently spin down a neutron star in a fossil disk, an unusually efficient propeller torque must be used. Such torques are inconsistent with observations of other accreting sytems - particularly High Mass X-ray Binaries. Thus, our analysis lends credence to the magnetar model of AXPs.

研究の動機と目的

• 異常X線パulsar（AXPs）の観測的性質を説明するための化石ディスクモデルの妥当性を評価すること。
• 超高磁場を必要とせずに、化石ディスクがAXPsの長い周期とX線放射度を説明できるかどうかを調査すること。
• 化石ディスクモデルで仮定されるプロペラトルク機構の物理的妥当性を検証すること。
• 特にHMXBを含む既知のX線連星系からの観測的制約と照らし合わせて、化石ディスクの予測を比較すること。
• ディスク放射または光学的対応体が、化石ディスクモデルと磁星モデルを区別できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 標準的なアルファディスクモデルに支配されるKramersの透過率則を仮定した上で、化石ディスクモデルを分析する。
• CHN（Chatterjee, Hernquist, Narayan）プロペラトルクモデルを化石ディスク内の中性子星に適用し、その効率性と観測との整合性を評価する。
• CHNプロペラトルクモデルをHMXBのSMC X-1における観測された周期と照らし合わせ、予測された周期進化と観測値を比較する。
• 観測されたX線と光学のフラックス比を満たすために必要なディスクの性質（例：サイズ、放射度）を評価し、特に4U 0142+61の候補対応体について検討する。
• 理論的ディスク放射予測（例：Perna, Hernquist, & Narayan 2000）と実際のフラックス比を照らし合わせ、モデルの妥当性を評価する。
• ドッパー調制の欠如、ソフトX線スペクトル、超新星残骸との関連性といった観測的制約を用いて、モデルの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なKramersの透過率則を用いた化石ディスクモデルは、非現実的に高い磁場を要さずに、観測可能なAXPsを生成できるか？
• RQ2 SMC X-1のような既知のHMXBに適用した場合、CHNプロペラトルク機構は物理的に現実的か？
• RQ3 化石ディスクモデルで予測される光学対X線フラックス比は、4U 0142+61の候補対応体の観測フラックス比（L_opt/L_X ≈ 10^-3）と一致するか？
• RQ4 化石ディスクモデルは、連星伴星からの降着を仮定せずとも、AXPsの持続的減速とソフトX線スペクトルを説明できるか？
• RQ5 化石ディスクモデルの予測と、AXPsにおける検出可能な光学的対応体やドッパー調制の欠如という観測的不一致は存在するか？

主な発見

• Kramersの透過率則を用いた化石ディスクモデルでは、妥当性を保つために磁場がlog B ≳ 12以上を要するが、これはこれらのモデルで想定される低磁場中性子星と矛盾する。
• CHNプロペラトルクモデルは、SMC X-1の周期を観測値から最大2桁のずれで予測するため、物理的に現実的でないほど効率的すぎる。
• 4U 0142+61の候補対応体の観測フラックス比L_opt/L_X ≈ 10^-3は、化石ディスクモデルの予測よりも1桁低い。これは、その放射メカニズムに疑問を呈する。
• AXPsにおけるドッパー調制の欠如と、スピンアップ／スピンダウンサイクルの不在は、連星降着の予想と矛盾し、化石ディスクモデルの信頼性を弱める。
• 化石ディスクモデルでは、他の降着系、特にHMXBの観測と照らし合わせると、異常に効率的なプロペラトルクが必要とされるが、これは観測と整合しない。
• 分析の結論として、化石ディスクモデルには根本的な物理的不整合が生じており、AXPsのより妥当な説明として磁星モデルが強く支持される。