[論文レビュー] The likely detection of pulsed high-energy gamma-ray emission from millisecond pulsar PSR J0218+4232

L. Kuiper, W. Hermsen+6 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡搭載のEGRETデータを用いて、ミリ秒パulsar PSR J0218+4232からの高エネルギーガンマ線放射の初回検出に間接的証拠を提示する。100–1000 MeVの光子を、高精度な電波エフェメリスで折りたたむと、3.5σの有意性を示す二峰性のパルスプロファイルが得られ、3つの電波パルスのうち2つと位相整合しており、放射 luminosity は1.64×10³⁴ erg s⁻¹（回転減衰 luminosity の7%）に達する。これは、カブリスパルサーに類似した磁気圏放射メカニズムを示唆する。

ABSTRACT

We report circumstantial evidence for the first detection of pulsed high-energy gamma-ray emission from a millisecond pulsar, PSR J0218+4232, using data collected with the Energetic Gamma Ray Experiment (EGRET) on board the Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). The EGRET source 3EG J0222+4253 is shown to be spatially consistent with PSR J0218+4232 for the energy range 100 - 300 MeV. Above 1 GeV the nearby BL Lac 3C 66A is the evident counterpart, and between 300 MeV and 1 GeV both sources contribute to the gamma-ray excess. Folding the 100-1000 MeV photons with an accurate radio ephemeris of PSR J0218+4232 yields a double peaked pulse profile with a ~3.5 sigma modulation significance and with a peak separation of ~0.45 similar to the 0.1-10 keV pulse profile.

研究の動機と目的

• ミリ秒パルサー PSR J0218+4232からのパルス的高エネルギーガンマ線放射の存在を調査すること。
• 観測されたガンマ線放射が、パルサーの電波放射と位相ロックされているかどうかを特定すること。
• PSR J0218+4232のガンマ線パルスプロファイルとX線パルスプロファイルを、カブリスパルサーのそれらと比較し、放射メカニズムの類似性を評価すること。
• 現在のガンマ線放射モデル（極磁場キャップおよびアウターガップ）が、PSR J0218+4232の観測されたスペクトル的およびluminosity的特性と整合するかどうかを評価すること。
• 硬い非熱的高luminosityのX線およびガンマ線放射を示す、新たなミリ秒パルサーのクラス（第II類）を特定すること。

提案手法

• コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡搭載のEGRET機器による100–1000 MeV光子データの分析。
• PSR J0218+4232の高精度な電波エフェメリスを用いて、検出された光子を折りたたみ、位相ロックされた変調の有無を調査すること。
• 100–300 MeVエネルギー範囲において、EGRET源3EG J0218+4232とPSR J0218+4232の位置の空間的一致を評価すること。
• ガンマ線パルスプロファイルと610 MHz電波プロファイルの比較により、ガンマ線パルスピークが電波パルスとどの程度位相整合しているかを特定すること。
• 距離と立体角を含むluminosityの公式を用いて、0.1–1 GeV範囲のパルス的ガンマ線放射のスペクトル的およびluminosity的分析を行うこと。
• 理論的モデル（極磁場キャップおよびアウターガップ）の予測スペクトルおよび効率と観測データを比較することで、モデルの評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR J0218+4232からの高エネルギーガンマ線放射に、その電波エフェメリスと整合する有意な位相変調が存在するか？
• RQ2 PSR J0218+4232のガンマ線パルスプロファイルは、カブリスパルサーと同様に、形状および位相整合性において類似しているか？
• RQ3 ガンマ線放射の効率は、パルサーの回転減衰luminosityに対してどの程度で、理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 既存のガンマ線放射モデル（極磁場キャップおよびアウターガップ）は、観測された軟らかいガンマ線スペクトル（光子指数～-2.6）および高いluminosityを説明できるか？
• RQ5 PSR J0218+4232および他の2つのミリ秒パルサー（PSR B1821-24およびPSR B1937+21）は、類似した高エネルギー放射特性を示す、明確に区別できるパルサーのクラスを形成するか？

主な発見

• PSR J0218+4232の電波エフェメリスで光子を折りたためた結果、100–1000 MeVエネルギー範囲で、約3.5σの有意性を示す二峰性パルスプロファイルが検出された。
• ガンマ線パルスピークは、610 MHzで観測された3つの電波パルスのうち2つと位相整合しており、一貫性のある放射メカニズムを示唆する。
• 0.1–1 GeV範囲のパルス的ガンマ線luminosityは1.64×10³⁴ erg s⁻¹であり、パルサーの全回転減衰luminosityの7%に相当する。
• ガンマ線スペクトルは軟らかく、100 MeVから1 GeVの間で光子指数が約-2.6であるが、これは極磁場キャップおよびアウターガップモデルの予測とは整合しない。
• PSR J0218+4232の観測されたスペクトル的およびluminosity的特性は、硬い非熱的X線および高luminosityガンマ線放射を示す、明確に区別されるミリ秒パルサーのクラス（第II類）の存在を示唆する。
• 測定されたガンマ線効率（約7%）は、極磁場キャップモデルの予測を上回るが、アウターガップモデルの予測と整合する。しかし、両モデルとも観測された軟らかいスペクトルを再現できない。