[論文レビュー] Soft X-rays from polar caps of the millisecond pulsar J0437--4715

V. E. Zavlin, George G. Pavlov|ArXiv.org|Aug 12, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、ミリ秒パulsar J0437--4715のソフトX線放射を、水素が支配する極域からの熱放射として解釈し、より高温の中心コア（約1–2×10⁶ K）とやや低温の縁部（約3–5×10⁵ K）を持つ二重構造を示す。これはスロットギャップモデルの予測と整合的である。観測された全光度（約1.3×10³⁰ erg s⁻¹）および低密度の吸収体（1–3×10¹⁹ cm⁻²）は、高いイオン化度を示し、パルサー放射メカニズムの理論的モデルを裏付ける。

ABSTRACT

We show that the soft X-ray spectra and light curves observed with the ROSAT and EUVE from the closest known millisecond pulsar J0437--4715 can be interpreted as thermal radiation from two hot polar caps whose emitting layers (atmospheres) are comprised of hydrogen. The simplest model yields a uniform temperature of $(0.8-0.9) imes 10^6 K$ within a cap radius of $0.7-0.9 km$. The spectral fits indicate that the temperature may be nonuniformly distributed along the cap surface. The distribution can be approximated by a central core heated up to $(1-2) imes 10^6 K$ within a radius of $0.2-0.4 km$, surrounded by a colder rim with temperatures $(3-5) imes 10^5 K$ extending out to $2-6 km$. The polar cap interpretation implies low column densities, $(1-3) imes 10^{19} cm^{-2}$, and a high degree of ionization, $> 20$%, of the interstellar hydrogen towards the pulsar. The inferred bolometric luminosity of the polar caps, $(1.0-1.6) imes 10^{30} erg s^{-1}$, is in excellent agreement with the predictions of the slot-gap model of radio pulsars developed by Arons and his coworkers. Similar polar cap radiation should be emitted by other millisecond pulsars, although in some of them (e.~g., PSR B1821--24) the soft X-ray flux is dominated by the nonthermal radiation from pulsar magnetospheres.

研究の動機と目的

• ROSATおよびEUVEが観測したミリ秒パルサーJ0437–4715のソフトX線スペクトルおよび光曲線を解釈すること。
• X線放射の物理的起源を特定すること、特にそれが極域における熱放射に起因するかどうかを特定すること。
• パルサーのスロットギャップモデルの予測を、観測されたX線全光度および温度分布と照らし合わせて検証すること。
• 線路上の銀河間媒体の状態を制約すること、特に吸収体密度およびイオン化度を含む。

提案手法

• ROSATおよびEUVEのソフトX線データを用い、水素が支配する極域からの熱放射をモデル化してスペクトルフィッティングを実施。
• 二成分温度モデル（中心コアと周囲の低温縁部）を適用し、半径方向の温度分布を解析。
• 水素の大気モデルを用いて観測されたX線スペクトルを解釈し、効果的温度を導出。
• 観測されたX線吸収および放射特性を用いて、線路上の銀河間水素の吸収体密度およびイオン化度を推定。
• 得られた全放射光度をパルサーのスロットギャップモデルからの理論的予測と比較。
• 光曲線の変調を組み込み、放射源の幾何学的形状および極域のサイズを推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 J0437–4715のソフトX線放射は、極域からの熱放射によって説明可能か？
• RQ2 極域表面における温度分布は空間的に非一様であるか、その分布はどのように変化するか？
• RQ3 観測されたX線全光度および吸収体密度は、パルサーのスロットギャップモデルの予測と一致するか？
• RQ4 線路上の銀河間水素のイオン化状態および吸収体密度は何か？
• RQ5 観測されたX線放射は、極域領域に高温で磁場で閉じ込められたプラズマが存在することをどの程度支持するか？

主な発見

• ソフトX線スペクトルは、半径0.2–0.4 kmの範囲に中心コア温度が(1–2)×10⁶ Kの水素が支配する極域からの熱放射によって最もよく説明される。
• 温度が(3–5)×10⁵ Kの低温縁部が2–6 kmまで広がっており、極域における温度分布が一様でないことを示唆している。
• 極域の全ボロメトリック全光度は(1.0–1.6)×10³⁰ erg s⁻¹であり、スロットギャップモデルの理論的予測と整合的である。
• 推定された銀河間水素の吸収体密度は(1–3)×10¹⁹ cm⁻²であり、低吸収および高いイオン化度（20%以上）を示している。
• 観測されたX線光曲線およびスペクトルは、放射源が極域由来であり、中性子星表面の小さな領域に限定された放射を示している。
• 本研究の結果は、他のミリ秒パルサーからも同様の熱的X線放射が検出可能である可能性を示唆しているが、場合によっては非熱的放射に隠蔽されている可能性もある。