[論文レビュー] Optical timing studies of isolated neutron stars: Current Status

R. Mignani|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、孤立中性子星（INSs）における高時間分解能光学・紫外・赤外（UVOIR）計測の現状をレビューし、回転駆動パルサー、マグネター、熱放射中性子星、および高速電波パulsesを含むさまざまなタイプのINSをカバーする。主な観測的課題、使用された機器、および今後の科学的目標を概説し、E-ELTなどの次世代極大型望遠鏡が、UVOIRバンド全域にわたり日常的に行われる位相分解スペクトロスコピー、偏光測定、計測を可能にすることで、分野を変革する可能性を強調している。

ABSTRACT

Being fast rotating objects, Isolated Neutron Stars (INSs) are natural targets for high-time resolution observations across the whole electromagnetic spectrum. With the number of objects detected at optical (plus ultraviolet and infrared) wavelengths now increased to 24, high-time resolution observations of INSs at these wavelengths are becoming more and more important. While classical rotation-powered radio pulsars, like the Crab and Vela pulsars, have been the first INSs studied at high-time resolution in the optical domain, observations performed in the last two decades have unveiled potential targets in other types of INSs which are not rotation powered, although their periodic variability is still related to the neutron star rotation. In this paper I review the current status of high-time resolution observations of INSs in the optical domain for different classes of objects: rotation-powered pulsars, magnetars, thermally emitting neutron stars, and rapid radio transients, I describe their timing properties, and I outline the scientific potentials of their optical timing studies.

研究の動機と目的

• さまざまなタイプの孤立中性子星（INSs）における高時間分解能光学・紫外・赤外（UVOIR）観測の現状を評価すること。
• 電波非放射性INSsにおけるUVOIRパルスの検出および特徴付けにおける観測的課題を特定し、それらを解決する方法を提示すること。
• HST や VLT といった既存施設を用いたUVOIR計測研究の主な科学的目標を提示するとともに、E-ELTによる今後の能力を予測すること。
• 回転駆動パルサーおよびマグネターを含む多様なINSタイプにおける光学パルスの発生メカニズムを解明すること。
• 高時間分解能UVOIR研究をINSの日常的データ解析に統合し、中性子星物理学の理解を深めることを促進すること。

提案手法

• UVOIR領域で検出された24個のINSを、回転駆動パルサー、マグネター、XDINSs、CCOs、および高速トランジエントに分類して系統的レビューした。
• ULTRACAM、OPTIMA、GASP、Iqueye、およびHST機器（STIS、COS）からの観測データを分析し、高時間分解能光度測定および偏光測定を実施した。
• 位相分解スペクトロスコピーおよび偏光測定を用いて放射メカニズムを解明し、光曲線の形状とスペクトルエネルギー分布に特に注目した。
• 特に近赤外領域における微弱または強く消光された源の観測可能性と消光効果の評価を実施した。
• Chandra、XMM-Newton、Fermiからの既存のX線およびγ線検出に基づき、今後のUVOIR計測研究に向けた有望な標的を同定した。
• E-ELTを用いた今後の能力を予測し、その大規模な集光面積が日常的に行われる高時間分解能UVOIR研究を可能にすると重点を置いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転駆動パルサー（クモ、ベーラ、PSR B0540−69を含む）のUVOIRバンドにおける現在の計測特性および光学パルスの特徴は何か？
• RQ2 マグネターの光学光曲線および偏光は、回転駆動パルサーと比べてどのように異なり、それらが放射メカニズムに何を明らかにするか？
• RQ3 XDINSs や CCOs のような電波非放射性INSsにおけるUVOIRパルスの検出における観測的課題は何か？ それらをどのように克服できるか？
• RQ4 UVOIRバンドにおける位相分解スペクトロスコピーおよび偏光測定は、中性子星の磁気圏および放射領域の理解をどの程度向上させ得るか？
• RQ5 次世代の極大型望遠鏡（E-ELTを含む）は、INSのUVOIR計測研究分野をどのように変革するか？

主な発見

• 24個の孤立中性子星がUVOIR領域で検出されており、クモ、ベーラ、PSR B0540−69といった主要標的において高時間分解能光学研究が現在可能となっている。
• 現時点で、いかなるINSに対しても位相分解偏光測定は達成されていないが、OPTIMA や GASP といった機器は、NTT や VLT で同様の測定が可能である。
• 以前はクモパルサーでのみ検出された巨大光学パルス（GOPs）は、PSR B0540−69の光学光曲線の長期モニタリングを通じて探索可能である。
• PSR B0540−69およびベーラパルサーの平均光学偏光度は約10%と測定されたが、位相分解偏光測定は未実施のままである。
• PSR B0540−69の近紫外放射は未調査であり、将来的なHST観測における重要な観測的ギャップである。
• E-ELTは、検出されたINSのサンプルを少なくとも5倍に拡大すると予想され、スペクトロスコピー、偏光測定、計測を含む日常的に行われる高時間分解能UVOIR研究を可能にする。