[論文レビュー] Study of luminosity and spin-up relation in X-ray binary pulsars with long-term monitoring by MAXI/GSC and Fermi/GBM

M. Sugizaki, T. Mihara+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、MAXI/GSCの長期X線光度曲線とFermi/GBMのパルス周期データを用いて、5つのベイシアンX線連星パルサーにおける光度-回転速度上昇関係を調査した。観測された回転速度上昇率が光度に比例して $ \dot{P}_{\text{spin}} \propto L^{6/7} $ と scales していることが確認され、Ghosh & Lamb (1979)の理論モデルと整合的である。相関係数 $ \alpha $ は、ビーミングや測定誤差によるわずかな分散が存在するものの、すべての天体で理論予測値に非常に近い値を示した。

ABSTRACT

We study the relation between luminosity and spin-period change in X-ray binary pulsars using long-term light curve obtained by the MAXI/GSC all-sky survey and pulse period data from the Fermi/GBM pulsar project. X-ray binaries, consisting of a highly magnetized neutron star and a stellar companion, originate X-ray emission according to the energy of the accretion matter onto the neutron star. The accretion matter also transfers the angular momentum at the Alfven radius, and then spin up the neutron star. Therefore, the X-ray luminosity and the spin-up rate are supposed to be well correlated. We analyzed the luminosity and period-change relation using the data taken by continuous monitoring of MAXI/GSC and Fermi/GBM for Be/X-ray binaries, GX 304$-$1, A 0535$+$26, GRO J1008$-$57, KS 1947$+$300, and 2S 1417$-$624, which occurred large outbursts in the last four years. We discuss the results comparing the obtained observed relation with that of the theoretical model by Ghosh \& Lamb (1979).

研究の動機と目的

• ベイシアンX線連星パルサーにおけるX線光度と回転周期微分の間の経験的関係を調査すること。
• Ghosh & Lamb (1979)が予測した理論的関係 $ \dot{P}_{\text{spin}} \propto L^{6/7} $ が、長期観測データを用いて検証されること。
• ケプラーランの軌道要素を用いて、半経験的モデルを構築し、パルス周期変動における内在的回転速度上昇と軌道ドップラー効果を分離すること。
• 異なる軌道パラメータと回転パラメータを有する5つのベイシアンXBPのサンプルにおいて、観測された回転速度上昇率が理論的期待値とどの程度整合しているかを評価すること。

提案手法

• 2–20 keVの長期光度曲線をMAXI/GSCから取得し、等方的放射を仮定し、一般的なカットオフパワー則スペクトルを用いて全波長光度 $ L_{37} $ を推定した。
• Fermi/GBMパルサー計画からパルス周期データを取得し、既知の軌道要素がある場合には軌道ドップラー補正を施した。
• ケプラーランの軌道要素を用いて、GL79の回転速度上昇則 $ \dot{P}_{\text{spin}} = \alpha L^{6/7} $ と軌道ドップラー効果を組み合わせた半経験的モデルを構築した。
• 理論に従い $ \gamma = 6/7 $ を固定した上で、観測された周期データにモデルをフィットし、内在的回転速度上昇と軌道パラメータを同時に最適化した。
• 最良のフィットから得られた $ \alpha $ 値を理論的予測値 $ \alpha_0 $ と比較し、光度補正と系のパラメータに起因するずれを評価した。
• モデルをGX 304–1、A 0535+26、GRO J1008–57、KS 1947+300、2S 1417–624の5つのベイシアンXBPに適用し、軌道要素が既知のものも、フィット中に自由パラメータとして扱ったものも含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベイシアンX線連星パルサーにおける観測された回転速度上昇率は、Ghosh & Lamb (1979)が予測した理論的 $ L^{6/7} $ 依存性に従うか？
• RQ2 異なるベイシアンX線連星系において、観測された光度と回転周期変化の相関が理論モデルとどの程度一致するか？
• RQ3 光度補正とビーミングの不確実性が、理論的予測値と比較して観測された $ \alpha $ 要因に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 パルス周期、軌道周期、または離心率と $ \alpha / \alpha_0 $ の比に、系統的な傾向が見られるか？
• RQ5 軌道ドップラー効果が存在し、かつ軌道要素が不確実な状況下でも、パルス周期データから内在的回転速度上昇信号を信頼性高く抽出できるか？

主な発見

• 観測された回転速度上昇率 $ \dot{P}_{\text{spin}} $ は、理論モデルGhosh & Lamb (1979)と整合的であり、光度に $ L^{6/7} $ の依存性を示す。$ \gamma = 6/7 $ はデータによって強く支持された。
• 5つのすべてのベイシアンXBPにおいて、最良のフィット相関係数 $ \alpha $ は理論的予測値 $ \alpha_0 $ の約3倍以内に収まっており、$ \alpha / \alpha_0 $ の範囲は0.28から3.2の間であった。
• 軌道要素が不明であったGX 304–1に対しても、自由パrameterとしての軌道パラメータを用いたモデルがデータにうまくフィットし、$ L^{6/7} $ スケーリングの堅牢性が確認された。
• $ \alpha / \alpha_0 $ の分散は、特にビーミング効果とスペクトル変動に起因する全波長光度補正の不確実性に起因するとされた。
• パルス周期や軌道周期との間に強い系統的傾向は認められなかったが、より多くのデータがあれば離心率との関係に傾向が見られる可能性がある。
• モデルはすべての5つの天体において、増光期と降伏期の全サイクルをうまく再現した。これにより、光度の広い動的範囲にわたり、$ L^{6/7} $ スケーリングの妥当性が裏付けられた。