[論文レビュー] The Anomalous X-Ray Pulsar 4U 0142+61: A Neutron Star with a Gaseous Fallback Disk

Ünal Ertan, M. Hakan Erkut+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 34被引用数 44

ひとこと要約

本稿では、異常X線パulsar 4U 0142+61が、粘性降着によって駆動され、中性子星のX線放射によって加熱される気体降着円盤を有すると提案する。このモデルは、可視光から遠赤外域にわたる全バンドスペクトルをうまく再現し、磁気圏内でのディスク・シェルダイナモ機構によって、非パルス的ディスク放射とパルス的可視光放射の両方を説明でき、従来のディスクモデルとの矛盾を解消する。

ABSTRACT

The recent detection of the anomalous X-ray pulsar (AXP) 4U 0142+61 in the mid-infrared with the {\it Spitzer} observatory by Z.Wang and coworkers constitutes the first instance of a disk around an AXP. We show, by analyzing earlier optical and near-IR data together with the recent data, that the overall broadband data set can be reproduced by a single model of an irradiated and viscously heated disk.

研究の動機と目的

• 4U 0142+61にディスクが検出されているのと、パルス的可視光放射が存在するという事実の両立を図ること。これは、従来のディスクモデルが排除されていたと考えられていた。
• 粘性加熱と放射加熱を受ける気体ディスクの単一で物理的に整合性のあるモデルが、可視光から遠赤外域にわたる全バンドスペクトルエネルギー分布を再現できるかどうかを検証すること。
• Wangら（2006）の被動的ダストディスク解釈に反論し、動的で能動的な気体ディスクが、観測されたすべての放射成分を説明できることを示すこと。
• 粘性散逸と放射加熱を通じて、X線放射出力と降着率を関連づけ、ディスクのエネルギー源を自己自己一貫的に提供すること。
• 磁気圏パルサー放射と、光速円筒内にまで突き出たディスクが共存できることを示し、長年の理論的矛盾を解消すること。

提案手法

• 著者らは、可視光、近赤外、中赤外帯の多波長観測データを分析し、新しいスパッターオbservationsと、以前の可視光／近赤外データを含む。
• 粘性加熱と放射加熱を受ける気体降着円盤のモデルを適用し、放射加熱と粘性散逸に起因する半径方向の温度プロファイルを導出する。
• 標準的な粘性降着円盤形式を用いてディスクの放射出力を計算し、放射加熱効率とX線放射出力 $L_{\mathrm{X}}$ を主な入力パラメータとする。
• X線放射出力が降着によって駆動され、$L_{\mathrm{X}}$ が質量降着率 $\dot{M}_{\mathrm{acc}}$ と関連し、結果として粘性加熱に結びつくようにモデルを構築する。
• パルス的可視光放射は、Cheng & Ruderman（1991）の外側ギャップモデルに基づく磁気圏モデルと、ディスク・シェルダイナモ機構によって説明する。
• 観測的制約、特に可視光バンドでの強いX線変動の欠如、および可視光 light curves における観測されたパルス分率との整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視光から遠赤外域にわたる4U 0142+61の全バンドスペクトルを、単一の気体ディスクモデルが説明できるか？
• RQ2 ディスクと磁気圏の相互作用が、従来はこのような放射を抑制すると考えられていたが、パルス的可視光放射とディスクの共存はどのように説明できるか？
• RQ3 4U 0142+61の観測された中赤外放射は、被動的ダストディスクと比較して、能動的で粘性加熱を受ける気体ディスクによってよりよく説明できるか？
• RQ4 特に外縁部において、放射加熱と粘性加熱がスペクトルエネルギー分布に果たす役割は何か？
• RQ5 4U 0142+61のX線放射出力は、降着に起因するものとして一貫して説明できるか？すなわち、ディスクの質量流入率と結びつけられるか？

主な発見

• 可視光から遠赤外域にわたる4U 0142+61の全バンドスペクトルが、単一の粘性加熱と放射加熱を受ける気体ディスクモデルによってよく再現された。
• 可視光および近赤外放射は、主に内側ディスクにおける粘性散逸によって駆動され、内側領域からのUV放射の寄与も顕著である。
• 遠赤外放射は、特に外側ディスク領域で中性子星のX線放射による放射加熱が支配的である。
• モデルは、磁気圏内ディスク・シェルダイナモ機構によって生じるパルス的可視光放射をうまく説明でき、観測された100％のパルス分率と整合する。
• 磁気圏の強い磁場が存在する中でも、気体降着ディスクが成立可能である。ただし、磁気双極子成分が $10^{13}$ G 未満であり、高次の多極子成分がマグネタール磁場を担う限り、成立する。
• Wang ら（2006）が提案した被動的ダストディスクモデルは、より不確かである。なぜなら、粘性の起源や安定化機構の説明に失敗しており、全スペクトルエネルギー分布を説明できないからである。