[論文レビュー] The gamma-ray millisecond pulsar deathline, revisited - New velocity and distance measurements

L. Guillemot, D. A. Smith+7 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jan 22, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、ナンシーおよびウェスターボルク電波望遠鏡から得られた正確な固有運動と時計差パラメータを用いて、改善された回転減衰光度（$ olimits\dot{E}$）および$ olimits\gamma$線光度（$L_\gamma$）を測定することで、$ olimits\gamma$線ミリ秒パulsar（MSP）の死線を再検討した。PSR J1730$-$2304は、既知の最もエネルギー効率の低い$ olimits\gamma$線MSPであることが特定され、実験的死線は$ olimits\dot{E}_{\text{death}} \sim 8 \times 10^{32}$ erg s$^{-1}$に設定された。改善された測定にもかかわらず、低光度域では$ olimits\dot{E}$と$L_\gamma$の明確な相関は認められなかった。

ABSTRACT

Millisecond pulsars (MSPs) represent nearly half of the more than 160 currently known $γ$-ray pulsars detected by the Large Area Telescope on the extit{Fermi} satellite, and a third of all known MSPs are seen in $γ$ rays. The least energetic $γ$-ray MSPs enable us to probe the so-called deathline for high-energy emission, i.e., the spin-down luminosity limit under which pulsars (PSRs) cease to produce detectable high-energy radiation. Characterizing the MSP luminosity distribution helps to determine their contribution to the Galactic diffuse $γ$-ray emission. We made use of the high-quality pulsar timing data recorded at the Nançay Radio Telescope over several years to characterize the properties of a selection of MSPs. For one of the pulsars, the dataset was complemented with Westerbork Synthesis Radio Telescope observations. The rotation ephemerides derived from this analysis were also used to search the LAT data for new $γ$-ray MSPs. For the MSPs considered in this study, we obtained new transverse proper motion measurements or updated the existing ones, and placed new distance constraints for some of them, with four new timing parallax measurements. We discovered significant GeV $γ$-ray signals from four MSPs, i.e., PSRs J0740+6620, J0931$-$1902, J1455$-$3330, and J1730$-$2304. The latter is now the least energetic $γ$-ray pulsar found to date. Despite the improved $\dot E$ and $L_γ$ estimates, the relationship between these two quantities remains unclear, especially at low $\dot E$ values.

研究の動機と目的

• 正確な固有運動および距離測定を用いて、シャクロフスキー効果を補正することで、$ olimits\gamma$線MSPの回転減衰光度（$\\dot{E}$）推定値の精度を向上させること。
• $ olimits\gamma$線放射の実験的死線を、$ olimits\gamma$線で検出可能な最も低い$\dot{E}$を持つMSPを特定することで決定すること。
• 特に放射の幾何学的配置とエネルギー予算の変動を考慮して、低光度域における$\dot{E}$と$L_\gamma$の関係を調査すること。
• 洗練された時刻エフェメリスを用いて、Pass 8フェルミLATデータを深く分析することで、新たな$ olimits\gamma$線MSPを発見すること。
• MSPが天の川の拡散$ olimits\gamma$線背景に与える寄与を、その光度分布を特徴づけることで評価すること。

提案手法

• 複数年の間にナンシー電波望遠鏡から得た高精度なパルサー時刻データを用い、特定の$ olimits\gamma$線MSPの回転エフェメリスを導出し、固有運動を測定した。
• 1つのパルサーについて、ナンシーのデータをウェスターボルク合成電波望遠鏡の観測で補完し、時刻解の精度を向上させた。
• 時刻パラメータ法を適用して、4つのMSPの直接的な距離推定値を取得し、$\dot{E}$および$L_\gamma$の計算における不確実性を低減した。
• 測定された横方向速度と距離を用いて、シャクロフスキー効果を補正し、回転減衰光度の推定値を修正した。
• 洗練されたエフェメリスを用いて、6年以上にわたるPass 8フェルミLAT $ olimits\gamma$線データを分析し、パルス状$ olimits\gamma$線放射の検出を試みた。
• $\dot{E}_{\text{ff}} \simeq \frac{3}{2}\dot{E}_{\text{vac}}(1 + \sin^2\alpha)$補正を用いて、力自由磁気圏効果による$\dot{E}$への影響を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのくらいの低い回転減衰光度（$\dot{E}$）まで、ミリ秒パルサーが検出可能な$ olimits\gamma$線放射を発することができるか？
• RQ2 シャクロフスキー効果は、$ olimits\gamma$線MSPの$\dot{E}$および$L_\gamma$推定値の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 低$\dot{E}$値域において、回転減衰光度（$\dot{E}$）と$ olimits\gamma$線光度（$L_\gamma$）の間に明確な相関があるか？
• RQ4 洗練された時刻モデルを用いたPass 8フェルミLATデータの深層的分析により、新たな$ olimits\gamma$線MSPを発見できるか？
• RQ5 放射の幾何学的配置と磁気圏パラメータは、観測された$\dot{E}$–$L_\gamma$関係にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 4つの新しい$ olimits\gamma$線MSPが発見された：PSRs J0740+6620, J0931$-$1902, J1455$-$3330, およびJ1730$-$2304。後者は、既知で最もエネルギー効率の低い$ olimits\gamma$線パルサーである。
• 実験的$ olimits\gamma$線MSP死線は、$\dot{E}_{\text{death}} \sim 8 \times 10^{32}$ erg s$^{-1}$に再評価され、以前の推定値$3 \times 10^{33}$ erg s$^{-1}$よりも顕著に低くなった。
• 改善された$\dot{E}$および$L_\gamma$推定値にもかかわらず、低光度域では$\dot{E}$と$L_\gamma$の明確な相関は認められず、複雑な放射物理が関与していることが示唆された。
• 4つの時刻パラメータ法による距離測定が得られ、直接的な距離推定値が可能となり、$\dot{E}$および$L_\gamma$の計算における不確実性が低減された。
• PSR J1730$-$2304の回転減衰光度は$\dot{E} \sim 8 \times 10^{32}$ erg s$^{-1}$であり、検出可能な$ olimits\gamma$線放射の新たな下限を示している。
• 本研究は、$ olimits\gamma$線MSPが、天の川円盤部において、特にエネルギー効率が高く、近距離に位置する対象である傾向があることを確認した。$\dot{E}/d^2$が$5 \times 10^{33}$ erg s$^{-1}$ kpc$^{-2}$以上のMSPの75％は、$ olimits\gamma$線で検出されている。