[論文レビュー] PSR J0952-0607: The Fastest and Heaviest Known Galactic Neutron Star

Roger W. Romani, D. Kandel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Keck望遠鏡を用いた分光測光およびその照射された連星伴星の径速度測定を用いて、のちに最も速く回転する、そして銀河系で最も重い既知の中性子星であるPSR J0952-0607の最初の正確な質量測定を提示する。解析により、中性子星質量は$2.35 \pm 0.17\,M_\odot$と得られ、これまでに測定された中で最高の精度の質量であり、1σ信頼水準で最大中性子星質量の下限$M_{\rm max} > 2.19\,M_\odot$が示され、密度の高い物質の状態方程式を顕著に制約する。

ABSTRACT

We describe Keck-telescope spectrophotometry and imaging of the companion of the ``black widow" pulsar PSR~J0952$-$0607, the fastest known spinning neutron star (NS) in the disk of the Milky Way. The companion is very faint at minimum brightness, presenting observational challenges, but we have measured multicolor light curves and obtained radial velocities over the illuminated ``day" half of the orbit. The model fits indicate system inclination $i=59.8\pm 1.9^\circ$ and a pulsar mass $M_{NS} = 2.35\pm 0.17 M_\odot$, the largest well-measured mass found to date. Modeling uncertainties are small, since the heating is not extreme; the companion lies well within its Roche lobe and a simple direct-heating model provides the best fit. If the NS started at a typical pulsar birth mass, nearly $1 M_\odot$ has been accreted; this may be connected with the especially low intrinsic dipole surface field, estimated at $6 imes 10^7$G. Joined with reanalysis of other black widow and redback pulsars, we find that the minimum value for the maximum NS mass is $M_{ m max} > 2.19 M_\odot$$(2.09 M_\odot)$ at $1σ$$(3σ)$ confidence. This is $\sim 0.15 M_\odot$ heavier than the lower limit on $M_{ m max}$ implied by the white-dwarf--pulsar binaries measured via radio Shapiro-delay techniques.

研究の動機と目的

• 銀河系で最も速く回転する中性子星であるPSR J0952-0607の質量を、その照射された伴星の光学観測を用いて測定すること。
• J0952の極端な高速回転と低磁場が、進化歴における顕著な質量降着と関連しているかどうかを特定すること。
• J0952の中性子星質量と他のスパイダー脈動星を用いて、最大中性子星質量を制約し、密度の高い物質の状態方程式を検証すること。
• 連星系の質量降着が、特に内部磁気双極子モーメントが小さい系において、中性子星の磁場を低減させる役割を評価すること。

提案手法

• Keck望遠鏡のLRISを用いて、複数の公転位相にわたる伴星の多色光曲線および径速度を取得した。
• 伴星がロッシュ・ローブ内にあり、中性子星の放射照射によるみのみ加熱を受けると仮定し、直接加熱モデルを観測された輝度変動に適合させた。
• 光曲線モデリングにより、系の軌道傾きを制約し、$i = 59.8 \pm 1.9^\circ$が得られた。これにより、径速度曲線からの質量決定が可能になった。
• 円形軌道およびケプラー運動を仮定し、軌道解と傾きを用いて中性子星質量を導出した。
• 尤度に基づく統計的モデルを用いて、観測された質量の高い中性子星のサンプルから最大中性子星質量の最小値（$M_{\rm max}$）を推定した。
• バイアス補正と加速ブートストラップ解析を、スパイダーパulsarの質量測定に適用し、$M_{\rm max}$の信頼区間を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系で最も速く回転する中性子星であるPSR J0952-0607の正確な質量は何か？
• RQ2 PSR J0952にどれくらいの質量が降着されたのか。また、その値は$6 \times 10^7$ Gという極めて低い内部磁場と整合的か？
• RQ3 スパイダーパulsarの観測サンプルに基づいて、最大中性子星質量の下限は何か？
• RQ4 スパイダーバイナリの中性子星の質量と、白色矮星–中性子星バイナリの中性子星の質量はどのように比較されるか。これは密度の高い物質の状態方程式に何を示唆するか？
• RQ5 高質量降着、低磁場、および高質量の中性子星がミリ秒パulsar系で因果関係を持つとされるか？

主な発見

• PSR J0952-0607の中性子星質量は、$2.35 \pm 0.17\,M_\odot$と測定され、これまでに正確に測定された中で最高の質量である。
• 系の軌道傾きは$59.8 \pm 1.9^\circ$と決定され、これは径速度曲線からの正確な質量決定に不可欠である。
• 解析により、1σ信頼水準での最大中性子星質量の下限が$M_{\rm max} > 2.19\,M_\odot$と示され、3σの下限は$>2.09\,M_\odot$であり、シャピロ遅延測定からの以前の推定値よりも顕著に高い。
• J0952を含めることで、他のスパイダーパulsarのみを用いた場合と比較して、1σの下限が$\sim 0.13\,M_\odot$上昇した。
• データは、反射や再放射などの複雑さが最小限に抑えられた単純な直接加熱モデルを支持しており、モデリングの不確実性が低減された。
• 結果は、少なくとも$0.5\,M_\odot$、おそらく$\sim 1\,M_\odot$の質量がJ0952に降着されたと示唆しており、低磁場と高質量と整合的である。