[論文レビュー] On Low Mass X-ray Binaries and Millisecond Pulsar

L. Burderi, T. Di Salvo|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、降着するミリ秒パルサー（AMPs）の進化および観測的性質をレビューし、1998年以降に14個のAMPsが発見されたことで、リサイクル・シナリオが確認された。4つの独立した手法を用いて中性子星の磁場を推定した結果、SAX J1808.4-3658では3σ以内で一貫性が得られ、長年のスピンダウンおよび降着位相モデルにおける矛盾が解消された。

ABSTRACT

The detection, in 1998, of the first Accreting Millisecond Pulsar, started an exciting season of continuing discoveries in the fashinating field of compact binary systems harbouring a neutron star. Indeed, in these last three lustres, thanks to the extraordinary performances of astronomical detectors, on ground as well as on board of satellites, mainly in the Radio, Optical, X-ray, and Gamma-ray bands, astrophysicists had the opportunity to thoroughly investigate the so-called Recycling Scenario: the evolutionary path leading to the formation of a Millisecond Radio Pulsar. The most intriguing phase is certainly the spin-up stage during which, because of the accretion of matter and angular momentum, the neutron star accumulates an extraordinary amount of mechanical rotational energy, up to one percent of its whole rest-mass energy. These millisecond spinning neutron stars are truly extreme physical objects: General and Special Relativity are fully in action, since their surfaces, attaining speeds close to one fifth of the speed of light, are located just beyond their Schwartzscild Radius, and electrodynamical forces, caused by the presence of huge surface magnetic fields of several hundred million Gauss, display their spectacular properties accelerating electrons up to such energies to promote pair creation in a cascade process responsible for the emission in Radio and Gamma-ray. The rotational energy is swiftly converted and released into electromagnetic power which, in some cases, causes the neutron star to outshine with a luminosity of one hundred Suns. In this paper I will review some of the most recent discoveries on (accreting) millisecond pulsars.

研究の動機と目的

• ミリ秒パルサー集団における観測的異常とリサイクル・シナリオを調和させること。
• 1998年以前にLMXBで検出されたミリ秒X線パルサーの欠如を解消すること。
• 低質量の伴星の剥ぎ取りによって生まれる孤立ミリ秒パルサーの起源を説明すること。
• 複数の独立した観測的手法を用いて中性子星の磁場を推定すること。
• 回転エネルギー損失が降着後の進化を形作る役割を検証すること。

提案手法

• RXTEおよび他の人工衛星のX線タイミングデータを用いて、一時的LMXBでコherentなミリ秒X線パルサーを検出した。
• スピンダウン光度のラーマー式を適用：$ L_{\rm SD} = \frac{2}{3c^3} \mu^2 (2\pi/P)^4 $、回転エネルギー損失と磁気双極子放射を結びつけた。
• 磁場を推定する4つの手法を用いた：準状態におけるX線残余光度（手法a）、双極子放射の光学的再放射（手法b）、パルス位相遅れフィッティング（手法c）、長期的スピンダウン率解析（手法d）。
• X線、電波、光学、ガンマ線の多波長データを統合し、磁場推定値および進化モデルの妥当性を検証した。
• 軌道周期およびスピン周期の測定値を用いて、伴星質量を推定し、磁気ブレーキングおよび重力放射を含む進化モデルを検証した。
• スピン周期微分 $ \dot{P} $ の統計的解析を実施し、$ \dot{P}_{-20} $ を $ 10^{-20} $ 単位として用い、磁場強度を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着するミリ秒パルサーの観測的性質は、MSP形成のリサイクル・シナリオをどのように支持するか？
• RQ2 なぜ1998年以前にLMXBでミリ秒X線パルサーが検出されなかったのか、そしてこの問題はどのように解決されたか？
• RQ3 孤立ミリ秒パルサーの存在を説明するメカニズムは何か。また、スピンダウンによるエネルギー放出はその進化にどのように寄与するか？
• RQ4 複数の独立した手法がAMPsの磁場強度を一貫した推定値として得られるか？
• RQ5 スピンダウンによる回転エネルギー放出は、コンパクト連星系の長期的進化にどのように影響を及えるか？

主な発見

• 1998年にSAX J1808.4-3658で2.5 msのコherent X線パルサーが発見され、LMXBがMSPの前身であることが確認された。これにより、長年のミリ秒X線パルサーの欠如問題が解決された。
• AMPsの磁場強度を推定する4つの独立手法がSAX J1808.4-3658で3σ以内で一貫性を示し、$ B_8 = 1.62 \pm 0.10 $ となった。これにより、測定の堅牢性が裏付けられた。
• 長期的スピンダウン（$ \dot{P}_{-18} = -2.75 \pm 0.51 $）からの磁場推定値は $ B_8 = 1.62 \pm 0.10 $ となり、他の手法と一致した。これにより、タイミングに基づくスピンダウン解析の信頼性が確認された。
• IGR J17498-2921では、スピン周期微分 $ \dot{P}_{-18} = +0.39 \pm 0.12 $ がスピンアップを示し、降着が継続中であり、磁場が弱いことが示唆された。
• スピンダウン光度 $ L_{\rm SD} \sim 3.85 \times 10^{35} B_8^2 R_6^6 P_{-3}^{-4} \, \text{erg/s} $ は、降着後の段階で主要なエネルギー源であることが判明した。
• スピンダウンデータから推定されたXTE J0929-314の磁場は $ \sim 10 $（$ B_8 $ 単位）であり、強い磁場であることが示され、$ \dot{P}_{-18} = +2.68 \pm 0.12 $ の高い値と整合的であった。