[論文レビュー] The X-ray behaviour of Fermi/LAT pulsars

M. Marelli|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 15

ひとこと要約

本学位論文は、X線と電波の両方の波長領域におけるフェルミ/LATパルサーの性質を、X線とガンマ線データを統合して分析することで調査している。X線とガンマ線の放射率の関係やスペクトル的挙動を検討し、電波が弱いパルサーと強いパルサーとの間に明確なX線およびガンマ線放射率の傾向の違いを明らかにした。電波が弱いパルサーは、ガンマ線に対するX線の放射率比が高く、スピンダウンパワーとX線放射率の間の相関関係もきついことが示された。

ABSTRACT

More than 40 years after the discovery of Isolated Neutron Stars, the comprehension of their physics is still rather poor. This thesis is based on a program of multiwavelength observations of pulsars which yielded new and important pieces of information about the overall proprieties of this class of sources. The thesis is organized as follows: - In chapter 1 we give a very brief overview of the current status of the understanding of Isolated Neutron Stars. We also talk about the Fermi revolution that occurred in the last three years, focusing on the Fermi contribution to the knowledge of neutron stars. Then, we describe the results led by the synergy between X-ray and gamma-ray bands. - In chapter 2 we report two of our published papers containing the surprising results we obtained for two different radio-quiet pulsars. Such neutron stars, J0007+7303 and J0357+3205, can be considered "extreme" in the Fermi pulsars' zoo due to their energetics and ages. Both the X-ray observations and analyses are very different so that they can be considered as the standing-up examples of all the following analyses. - In chapter 3 we describe the analysis we done in the X-ray band and briefly report the obtained spectra of each pulsar and its nebula, if present. Then, we study the X-ray and gamma-ray pulsars' luminosities as a function of their rotational energies and ages in order to find any relationship between these values and any difference between the two populations of radio-quiet and radio-loud pulsars. - In chapter 4 we report the "identity card" of all Fermi pulsars, the detailed description of the analyses done and results obtained for each pulsar. Finally, in appendix we report our accepted proposals of the most significative X-ray observations used in this thesis plus the article on the X-ray behaviour of Fermi/LAT pulsars we published on the Astrophyisical Journal.

研究の動機と目的

• フェルミ/LATパルサーの多波長的挙動、特にX線およびガンマ線帯域における理解を深めること。
• X線およびガンマ線放射率の相関関係を通じて、電波が弱いパルサーと強いパルサーの間の物理的差異を調査すること。
• 孤立中性子星のX線およびガンマ線放射を形作るスピンダウンパワーと年齢の役割を検討すること。
• J0007+7303およびJ0357+3205といった極端なパルサーを事例研究として特定・特徴づけ、極端なエネルギー効率と年齢を解明すること。
• パルサー検出における選択バイアスと、それが放射関数の解釈に与える影響を評価すること。

提案手法

• 電波が弱い極端な2つのパルサー（J0007+7303（CTA1）およびJ0357+3205（MORLA））に対して、詳細なX線タイミングおよび位相分解スペクトル解析を実施した。
• 個々のパルサーのX線データ還元およびスペクトル解析を、チャンドラ、XMM-ニュートン、スイフト観測データを用いて行った。
• スピンダウンパワー（$\dot{E}$）とX線／ガンマ線放射率の相関関係を調査するため、$\dot{E}$-LXおよび$\dot{E}$-Lγ図を構築した。
• 33個の高信頼性パルサーの$\dot{E}$-to-X線放射率比（Fγ/FX）を計算し、異なるパopulation間での放射メカニズムの比較を行った。
• 幾何的補正係数を適用し、タイプ1/2のX線スペクトル分類を用いてスペクトルの複雑さを評価した。
• 対数-対数放射率関係の統計的フィッティングを実施し、非検出の上限／下限をプロットに含め、その影響を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ/LATパルサーのX線およびガンマ線放射率は、スピンダウンパワー（$\dot{E}$）とどのように相関するか？
• RQ2 電波が弱いパルサーと強いパルサーとの間で、X線およびガンマ線放射の性質にどのような差異があるか？
• RQ3 Fγ/FX放射率比はパルサーの集団間でどのように変化し、放射メカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 選択バイアスは、観測された放射関数および相関関係をどのように形作っているか？
• RQ5 J0007+7303およびJ0357+3205といった極端なパルサーは、一般のパルサー集団と比べてスペクトル的およびタイミング的挙動でどのように異なるか？

主な発見

• 電波が弱いパルサーは、スピンダウンパワー（$\dot{E}$）とX線放射率（LX）の間で、電波が強いパルサーと比較してきつい相関関係を示し、対数-対数空間での最良フィット勾配は約0.7であった。
• 電波が弱いパルサーの中央値Fγ/FX放射率比は約1.3であり、電波が強いパルサー（中央値約0.2）と比較して顕著に高く、ガンマ線に対するX線放射の相対的強度が強いことを示している。
• J1836+5925（フェルミJ1836-1256）は、最高のガンマ線放射率比（Fγ/FX = 2.3 ± 0.1）を示し、X線に比べてガンマ線の生成が効率的であることを示唆している。
• 高信頼性距離推定値を持つパルサーにおいて、X線放射率（LX）は電波が弱いか強いかに関わらず、$\dot{E}$と強い相関関係を示したが、正規化値は異なっていた。
• X線対ガンマ線放射率比（Fγ/FX）は、特に電波が弱いパルサーにおいて、特徴的年齢と反比例しており、時間経過に伴うスペクトル的進化を示している。
• いくつかのパルサー（例：J1811-1926、J1813-1749）のX線放射率の上限は、非検出と整合的であり、放射率比分析による集団の区別に有効であることを支持している。