[論文レビュー] Possible Fermi Detection of the Accreting Millisecond Pulsar Binary SAX J1808.4-3658

Yi Xing, Zhongxiang Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Fermi-LATデータを用いて、降着するミリ秒パルサー連星SAX J1808.4-3658からのGeV帯ガンマ線放射の可能性のある検出を報告している。スペクトル解析は指数的カットオフを伴うパワー・レイトに一致しており、軌道周期の変調とX線源解析によって裏付けられ、パルサーが静止状態において回転駆動型である可能性を示唆している。ガンマ線変換効率は63%であり、古いかつ古いミリ秒パルサーとしては非常に高い効率である。

ABSTRACT

We report the Fermi Large Area Telescope (LAT) detection of a $γ$-ray source at the position of SAX J1808.4$-$3658. This transient low-mass X-ray binary contains an accreting millisecond puslar, which is only seen during its month-long outbursts and likely switches to be rotation powered during its quiescent state. Emission from the $γ$-ray source can be described by a power law with an exponential cutoff, the characteristic form for pulsar emission. Folding the source's 2.0--300 GeV photons at the binary orbital period, a weak modulation is seen (with an H-test value of $\sim$17). In addition, three sets of archival XMM-Newton data for the source field are analyzed, and we find only one X-ray source with 3--4$σ$ flux variations in the 2$σ$ error circle of the $γ$-ray source. However based on the X-ray properties, this X-ray source is not likely a background AGN, the major class of Fermi sources detected by LAT. These results support the possible association between the $γ$-ray source and SAX J1808.4$-$3658 and thus the scenario that the millisecond pulsar is rotation powered in the quiescent state. Considering a source distance of 3.5 kpc for SAX J1808.4$-$3658, the 0.1--300 GeV luminosity is 5.7$ imes 10^{33}$ erg s$^{-1}$, implying a $γ$-ray conversion efficiency of 63\% for the pulsar in this binary.

研究の動機と目的

• 降着するミリ秒パルサー連星SAX J1808.4-3658が静止状態にいる間に検出可能なガンマ線放射を発しているかどうかを調査すること。
• AMXPが、J1023+0038 や XSS J12270-4859 のような遷移的MSPと同様に、静止状態で回転駆動型放射に切り替わるという仮説を検証すること。
• X線対応源とのクロス識別と背景AGNの汚染を除外することで、ガンマ線源の性質を特定すること。
• パルサーのガンマ線放射の全放射度と効率を推定し、理論的予想と比較すること。

提案手法

• SAX J1808.4-3658を中心とする20°×20°の領域について、4.3年間のFermi-LAT Pass 7再処理データを100 MeV～300 GeVのエネルギー範囲で分析。
• Fermi 2FGLおよび3FGL源カタログを用いた源モデル化。5°以内の源については自由パラメータ、それ以外は固定。
• 放射特性を特徴付けるために、指数的カットオフを伴うパワー・レイトでガンマ線スペクトルをフィット。
• 2.02時間の連星軌道周期に合わせてHテストを用いて、光子を折りたたみ、軌道周期の変調を探索。
• XMM-NewtonのX線データと照合し、潜在的な対応源を特定。光度の変動性とスペクトル的性質に基づき、背景AGNの可能性を評価。
• パルサーの距離を3.5 kpc、パルサーのタイミングパラメータから得られる回転減速全放射度を用いて、ガンマ線全放射度と変換効率を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SAX J1808.4-3658の静止状態に伴って顕著なガンマ線放射が関連しているか？
• RQ2 観測されたガンマ線放射に、連星系内の回転する中性子星に一致する軌道周期の変調が見られるか？
• RQ3 ガンマ線源が背景AGNに起因している可能性があるのか、それともパルサー系に起因するほうがより妥当か？
• RQ4 パルサーのガンマ線全放射度と放射効率は何か？理論的予想と比較するとどうなるか？
• RQ5 源のスペクトル的および時間的挙動は、静止状態における回転駆動型ミリ秒パルサーの状況を支持するか？

主な発見

• SAX J1808.4-3658の位置にガンマ線源が検出され、指数的カットオフを伴うパワー・レイトに一致するスペクトル解析結果が得られた。これはパルサー放射の特徴的性質である。
• Hテストにより、連星周期（2.02時間）での弱い軌道周期変調が検出された。下弦および上弦の接近時に2つの明るさのピークが観測されたが、有意性は低い。
• 2σ誤差円内にある17個のX線源のうち、1つだけが3–4σの光度変動を示した。そのX線特性は背景AGNを除外する。
• 0.1–300 GeVのガンマ線全放射度は、距離3.5 kpcの下で5.7 × 10^33 erg s⁻¹であり、ガンマ線変換効率は63%であると示唆される。
• 高い効率は、古いかつ古いパルサーの「死線」閾値を超えており、古いかつ古いMSPが強力なガンマ線放射を示す可能性を支持する。
• Fermi 3FGLカタログによる確認も得られており、3FGL J1808.4-3703という源が、ガンマ線源の最良適合位置と整合する位置にある。