[論文レビュー] Spin Rates and Magnetic Fields of Millisecond Pulsars

Frederick K. Lamb, Wenfei Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2004

Geophysics and Sensor Technology被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ロッシX線時域探索機器（RXTE）の観測から、低質量X線連星（LMXB）に属する20個以上のパルサーが、回転駆動型ミリ秒パルサーと同等の自転周波数および磁場（3×10⁷–3×10⁸ G）を示していることを示しており、LMXBの中性子星がMSPの前身であるという仮説を強く支持している。この結果は、自転周波数と磁場を制約するミリ秒X線振動およびキロヘルツQPOに基づくものであり、3×10⁻³–1 M_Eの降着率における降着による自転加速が平衡状態に達していることを示している。

ABSTRACT

Observations made using the Rossi X-ray Timing Explorer have shown that accreting weak-field neutron stars in low-mass X-ray binary systems (LMXBs) produce three distinct types of millisecond X-ray oscillations that can be used to determine the spin rates and estimate the magnetic fields of these stars. These oscillations show that more than two dozen neutron stars in LMXBs have spin rates and magnetic fields in the range that will make them radio-emitting millisecond pulsars when accretion ceases, supporting the hypothesis that neutron stars in LMXBs are the progenitors of the rotation-powered millisecond pulsars. The spins of the 16 known accreting millisecond pulsars in LMXBs are consistent with spin-up to accretion spin equilibrium for magnetic fields ranging from 3 x 10^7 G to 3 x 10^8 G and time-averaged accretion rates ranging from 3 x 10^{-3} MdotE to MdotE, provided these stars have been accreting long enough. The P-Pdot distribution of rotation-powered millisecond pulsars indicates that their initial spins are set by spin-up to spin equilibrium at accretion rates ranging from 10^{-3} MdotE to MdotE or that they never reached accretion spin equilibrium.

研究の動機と目的

• 本研究の目的は、低質量X線連星（LMXB）の中性子星が回転駆動型ミリ秒パルサー（MSP）の前身であるという仮説を検証することである。
• X線タイミングデータを用いて、LMXBにおける降着中の中性子星の自転速度と磁場を特定することを目的としている。
• X線振動およびQPOから得られた観測された自転周波数と磁場推定値が、降着による自転加速が平衡状態に達していることと整合しているかどうかを調査する。
• 回転駆動型MSPのP–Ṗ分布が、その前身の降着歴および磁場の進化に与える影響を評価する。
• 観測された自転速度が降着モデルの予測と一致するかを検証することで、降着トルク理論を検証することを目的としている。

提案手法

• 本研究では、ロッシX線時域探索機器（RXTE）のX線タイミングデータを用い、降着中の中性子星におけるミリ秒X線振動を検出し、分析している。
• 自転周波数と磁場強度を推定するために、周期的振動、爆発中におけるほぼ周期的振動、およびキロヘルツQPOペアの3種類のX線振動が用いられている。
• 自転周波数はコherentlyな振動（185–619 Hz）およびQPO周波数の差から導出され、星の自転と整合している。
• 磁場の推定値は、振動の振幅および波形から制約されており、コherentlyな振動による下限（>10⁷ G）と爆発中の振動およびQPOによる上限（<10¹⁰ G）が得られている。
• 観測された自転速度と磁場が理論的降着自転平衡モデルと一致するかを分析しており、平衡自転周波数 ν_eq ∝ (B² / Ṁ)¹ᐟ³ の式を用いている。
• 回転駆動型MSPのP–Ṗ分布を、降着自転平衡モデルの予測と比較し、降着終了時の初期降着率および磁場を推定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LMXBの中性子星は、回転駆動型ミリ秒パルサーと同等の自転周波数および磁場を有しているか？
• RQ2 LMXBにおける観測されたX線振動およびキロヘルツQPOは、一般的な降着率における降着による自転加速が平衡状態に達していることと整合的か？
• RQ3 回転駆動型MSPのP–Ṗ分布は、初期自転速度が降着自転平衡状態に設定された場合、または代替的な自転加速メカニズムによって説明可能か？
• RQ4 LMXBの中性子星における観測された磁場範囲（3×10⁷–3×10⁸ G）は、降着が終了した後に電波放射を発するMSPを生成するのに十分か？
• RQ5 LMXBの中性子星の観測された自転分布は、それらが回転駆動型MSPの前身であるという仮説を支持するか？

主な発見

• 20個以上のLMXBの中性子星が、185 Hzから619 Hzの自転周波数および3×10⁷–3×10⁸ Gの磁場を示しており、回転駆動型MSPと一致している。
• 既知の16個の降着および核反応駆動型MSPは、降着率が3×10⁻³–1 M_E、磁場が3×10⁷–3×10⁸ Gの条件下で、降着自転平衡状態に達していると一致する自転速度と磁場を示している。
• 回転駆動型MSPのP–Ṗ分布は、降着率10⁻³–1 M_Eにおける初期自転速度が降着自転平衡状態に設定された場合、または降着率が低速で終了した場合（平衡状態に達しない場合）に一致する。
• LMXBの中性子星の観測された自転周波数は、10⁷年以上の時間スケールにおける平均降着トルクと整合的であり、長期的な降着歴を示している。
• 低降着率（10⁻⁴ M_E）における自転平衡線以下のMSPの欠如は、このような星が自転平衡に達しないという予測を支持している。
• 球状星団に最近発見された2つのMSP（B1821–24およびB1820–30A）は、標準的なRDPモデルに従わない可能性があり、これは内在的な自転減速率が低い、または降着流の物理的性質にずれがある可能性を示唆している。