[論文レビュー] Radio Pulsars: The Neutron Star Population Fundamental Physics

V. M. Kaspi, M. Krämer|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 19

ひとこと要約

この包括的なレビューは、二重系における正確なタイミングを用いた重力のテストを通じて、放射線パルサーが基礎物理学のための天然の実験施設として果たす役割を統合的に検討する。中性子星の集団——パルサー、マグネター、XDINS——の形成、進化、観測バイアスを強調し、重力理論や高速電波バーストといった新規の天体現象への影響を検討する。

ABSTRACT

Radio pulsars are unique laboratories for a wide range of physics and astrophysics. Understanding how they are created, how they evolve and where we find them in the Galaxy, with or without binary companions, is highly constraining of theories of stellar and binary evolution. Pulsars' relationship with a recently discovered variety of apparently different classes of neutron stars is an interesting modern astrophysical puzzle which we consider in Part I of this review. Radio pulsars are also famous for allowing us to probe the laws of nature at a fundamental level. They act as precise cosmic clocks and, when in a binary system with a companion star, provide indispensable venues for precision tests of gravity. The different applications of radio pulsars for fundamental physics will be discussed in Part II. We finish by making mention of the newly discovered class of astrophysical objects, the Fast Radio Bursts, which may or may not be related to radio pulsars or neutron stars, but which were discovered in observations of the latter.

研究の動機と目的

• 電波パルサー、マグネター、および静止状態の中性子星（XDINS）を含む中性子星集団の多様性をレビューし、それらの天文学的意味を明らかにすること。
• 特に銀河平面において、既知の電波パルサー集団を形作る観測選択効果とバイアスを検討すること。
• 電波パルサーが強力な重力場における重力理論のテストにどのように正確な宇宙時の役割を果たすかを検討すること。
• 二重パルサー系が代替重力理論の制約および中性子星の状態方程式の探査に果たす役割を評価すること。
• 高速電波バースト（FRB）と中性子星との間の可能性のある関連性について議論すること、特にパルサーおよびマグネターを含めた証拠と反証を検討すること。

提案手法

• サーベイおよび銀河間電子分布からのデータを用いて、2300例を超える既知の電波パルサーの空間的分布および運動論的特性の分析。
• スピンダウンタイミング測定（P および ˙P）を応用し、ダイポール減速モデルを用いて磁場強度と年齢推定値を導出すること。
• 相対論的軌道パラメータを用いて、二重系における電波パルサーのタイミングを一般相対性理論および代替重力理論のテストに応用すること。
• 太陽系および他の天体的テストと比較し、特に強力場領域における重力に関するパルサーの制約を強調すること。
• 電波放射メカニズムの理論的モデルのレビューと、それらが中性子星の磁気圏に与える影響。
• 電波、X線、ガンマ線の多波長データの統合を用いて、中性子星の分類と進化経路の理解を深めること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測選択効果は、銀河内における電波パルサーの観測された分布および性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 二重パルサー系は、特に強力場領域において、代替重力理論にどのような制約を課えるか？
• RQ3 電波パルサーの磁場強度およびスピンダウン率は、中性子星の進化および放射メカニズムの理解にどのように寄与するか？
• RQ4 電波パルサー、マグネター、およびその他の中性子星のクラス（例：XDINS）との関係は何か？
• RQ5 高速電波バースト（FRB）は中性子星現象と関連している可能性があるのか？その仮説を支持または反証する証拠は何か？

主な発見

• 2300例を超える既知の電波パルサー集団は、分散、散乱、およびサーベイ感度の影響により、銀河平面に強く偏っている。年齢とともにスケール高さが増加する。
• 電波パルサーは1.4 msから約8秒の広範なスピン周期とスピンダウン率を示し、ダイポール減速モデルを用いて磁場強度と年齢の正確な測定が可能である。
• 二重パルサーは、強力な重力場における一般相対性理論の最も厳密なテストを提供しており、ポストニュートンパラメータの制約が10−4またはそれ以下に達している。
• 高速電波バースト（FRB）の発見は、中性子星集団を調べる新たな道を開いたが、それらとパルサーとの関連性はまだ不明確である。
• マグネターとXDINSは、高い磁場強度または低表面温度を示す、標準的なパルサー進化モデルに挑戦する中性子星の別個のクラスを形成する。
• パルサータイミングアレイおよび二重系における高精度測定により、一般相対性理論からの逸脱、特にスカラータンス理論の文脈できわめて厳しい制約が得られている。