[論文レビュー] Optical studies of companions to millisecond pulsars

M. H. van Kerkwijk, C. Bassa+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ミリ秒パルサーの白色矮星伴星の光学的性質を調査し、連星進化とパルサー年齢を制約する。光学分光法と冷却モデルを組み合わせることで、PSR B0820+02の冷却年齢がその特徴的な回転減速年齢を上回っていることが判明し、減速指数が3未満であることを示唆している。また、冷却年齢を用いて、NGC 6752に存在するPSR J1911−5958Aの形成状況を検証し、動的交換による若年齢の起源を示唆している。

ABSTRACT

Optical observations of the companions of pulsars can help determine the properties of the binaries, as well as those of their components, and give clues to the preceding evolution. In this review, we first describe the different classes of binary pulsars, and present a table with a summary what is known about their optical counterparts. Next, we focus on the class of pulsars that have low-mass, helium-core white dwarf companions. We discuss attempts to determine the masses of both components using optical spectroscopy, and compare the pulsar spin-down ages with cooling ages of the white dwarfs. We confirm that for a given age, the lowest-mass white dwarfs are much hotter than the more massive ones, consistent with recent evolutionary models, although with one glaring exception. We discuss the case of PSR B0820+02, where the cooling age indicates a braking index less than 3, and conclude by describing how cooling ages can be used to test formation scenarios for PSR J1911-5958A, a pulsar binary in the outskirts of NGC 6752.

研究の動機と目的

• 光学分光法を用いて、ミリ秒パルサーの低質量白色矮星伴星の質量と進化歴を特定すること。
• パルサーの回転減速年齢と白色矮星の冷却年齢を比較し、減速則と進化モデルの整合性を検証すること。
• 冷却年齢推定値を用いて、NGC 6752の球状星団内に存在するPSR J1911−5958Aの形成状況を区別すること。
• 予測された温度と質量と観測値を比較することで、白色矮星冷却モデルの信頼性を評価すること。

提案手法

• 有効温度と表面重力の測定を目的とした白色矮星伴星の光学分光法。
• 観測された温度と質量から冷却年齢を導出するための白色矮星冷却モデルの使用。
• パルサーの回転減速年齢（τ_c = P / (2Ṗ)）と冷却年齢を比較し、減速指数nを推定すること。
• 質量-半径関係およびフラックス-温度-距離測定を用いて、白色矮星質量を独立に制約すること。
• アーカイブされたHSTおよびESOの画像を用いて、PSR J1911−5958Aの光学的対応星を特定・特徴化すること。
• 軌道パラメータと伴星質量の統計的分析により、連星パルサーの進化モデルを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B0820+02の冷却年齢が回転減速年齢を上回っていることを踏まえ、その減速指数は磁気双極子減速と整合的か？
• RQ2 パルサーの特徴的年齢と白色矮星の冷却年齢の乖離は、減速指数の調整によって解消可能か？
• RQ3 PSR J1911−5958Aの白色矮星の若年齢の冷却年齢は、NGC 6752におけるその形成メカニズムにどのような示唆を与えるか？
• RQ4 観測された白色矮星の温度と質量は、低質量連星パルサーの進化モデルの予測と一致するか？
• RQ5 冷却年齢は、球状星団内での原始的連星形成と動的交換イベントを区別するために用いられるか？

主な発見

• PSR B0820+02の白色矮星伴星の冷却年齢は221 ± 11 Myrであり、特徴的な回転減速年齢の130 Myrよりも顕著に長い。
• この乖離は、減速指数が約2.2であることを示唆しており、古くから存在するパルサーでさえも標準的な磁気双極子減速から逸脱している可能性を示している。
• PSR J1911−5958Aの白色矮星伴星は、温度が約11,000 K、質量が約0.2 M☉であり、若年齢（約1 Gyr）であることを示している。
• PSR J1911−5958Aの白色矮星の若年齢の冷却年齢は、NGC 6752内で最近の動的交換相互作用によって形成されたことを支持している。
• PSR B0820+02の白色矮星の大気中に水素が存在しないことは、ヘリウム豊富またはCOコアを有する組成であることを示しており、低質量白色矮星の進化と整合的である。
• 冷却モデルは観測と良好に一致しており、連星パルサー系における白色矮星の年齢推定が信頼できることが可能である。