[論文レビュー] The spectral and beaming characteristics of the anomalous X-ray pulsar 4U 0142+61

J. Trümper, N. D. Kylafis+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、異常X線パulsar 4U 0142+61が降着ディスクからの降着によって駆動され、X線放射が一重極磁場の降着柱内でのバルク運動および熱的コンプトン化によって形作られると提案する。モデルは、ファンビーム（主パルス）と等方的表面放射（副パルス）を用いて、硬いX線尾とエネルギー依存のパルス波形を説明する。60 keVのスペクトルバンプはサイクロトロン共鳴散乱として解釈され、表面一重極磁場強度 $ B \approx 7 \times 10^{12}(1+z) $ G をもたらす。

ABSTRACT

AXPs and SGRs constitute a special population of young neutron stars, which are thought to be magnetars, i.e., neutron stars with super-strong magnetic fields (10^14 - 10^15 G). Assuming that AXPs and SGRs accrete matter from a fallback disk, we attempt to explain the energy-dependent pulse profiles of AXP 4U 0142+61, as well as its phase-dependent energy spectra. In the fallback disk model, the Thomson optical depth along the accretion funnel is significant and bulk-motion Comptonization operates efficiently. This is enhanced by resonant cyclotron scattering. The thus scattered photons escape mainly sideways and produce a fan beam, which is detected as a main pulse up to energies of ~160 keV. The approximately isotropic emission from the stellar surface (soft thermal photons and reflected hard X-ray ones) is detected as a secondary pulse. This secondary pulse shows a bump at an energy of ~60 keV, which may be interpreted as resonant cyclotron scattering of fan-beam photons at the neutron-star surface, implying a dipole magnetic field strength B ~7 x 10^12 (1+z) G, where z is the gravitational redshift. Our model explains the soft and hard X-ray spectra of 4U 0142+61 and its energy dependent pulse profiles of the quiescent emission, while the short bursts are due to magnetar-type processes taking place in superstrong multiple fields.

研究の動機と目的

• 異常X線パルサー（4U 0142+61など）における持続的X線放射の起源を特定すること。
• これらの源が超強磁場マグネタールド（$>10^{15}$ G）か、『通常』の1重極磁場（$10^{12}-10^{13}$ G）かという論争を解消すること。
• 4U 0142+61における観測されたエネルギー依存のパルス波形と硬いX線尾を説明すること。
• スペクトルおよび時間的データと照らし合わせて降着ディスク降着モデルを検証すること。

提案手法

• 10^{12}-10^{13} Gの1重極磁場を有する降着柱内でのバルク運動および熱的コンプトン化によるX線放射のモデル化。
• トンプソン光学厚さが顕著で、ホースト領域内に共鳴サイクロトロン散乱を伴う光子輸送のシミュレーション。
• 2つの放射成分（ファンビーム（主パルス）と等方的表面放射（副パルス））を考慮して、放射出射スペクトルおよびパルス波形の計算。
• 観測された60 keVスペクトルバンプから推定される磁場強度を補正するための重力赤方偏移 $ z $ の使用。
• X線観測から得られた位相依存エネルギースペクトルおよびパルス波形とモデル予測の比較。
• 降着加熱、熱伝導、内部熱が極域で加熱に果たす役割の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4U 0142+61の硬いX線尾とエネルギー依存のパルス波形は、マグネタールド活動ではなく、1重極磁場内での降着によって説明可能か？
• RQ2 副パルスにおける観測された60 keVスペクトルバンプに基づいて、推定される表面1重極磁場強度は何か？
• RQ3 コンプトン化と共鳴サイクロトロン散乱は、観測されたX線スペクトルおよびパルス波形をどのように形成するか？
• RQ4 降着ディスク降着モデルは、パルス波形および位相進化の長期的安定性と整合性を有するか？
• RQ5 このモデルは、恒常的放射と超Eddingtonバーストの両方を説明できるか？

主な発見

• 約160 keVまで及ぶ硬いX線尾は、降着柱内でのバルク運動および熱的コンプトン化によって生じ、ファンビームとして検出され、主パルスとして観測される。
• 表面からの等方的放射に起因する副パルスは、ファンビーム光子の共鳴サイクロトロン散乱により、約60 keVに明確なバンプを示す。
• 60 keVバンプは、表面1重極磁場強度 $ B \approx 7 \times 10^{12}(1+z) $ G を示しており、超強磁場を必要とせず、降着ディスクモデルと整合的である。
• モデルは、4U 0142+61のソフトX線およびハードX線スペクトル、エネルギー依存のパルス波形を一貫した方法で説明できた。
• 超Eddingtonバーストは降着によって説明されず、おそらく $ B \sim 10^{14}-10^{15} $ G の局所的多重極磁場に起因するものであり、太陽フレアに類似している。
• 降着プロセスは1重極磁場によって媒介され、巨大バーストを引き起こす多重極磁場に干渉しないため、恒常的放射とバースト放射の統一的図像が可能となる。