[論文レビュー] The X-ray Pulsar M82 X-2 on its Propeller Line

Dimitris M. Christodoulou, D. Kazanas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、パulsarの回転周期、回転加速率、最小X線放射度を用いた2つの独立した降着理論的計算に基づき、M82 X-2は通常のニュートン星であり、磁場は約3 TGであると主張している。磁場が極めて強い磁気星（magnetar）ではない。この源はEddington限界付近のプロペラ線に位置しており、非等方的放射（ビーム化）によって超Eddington状態の活動が説明できる。

ABSTRACT

{\it NuSTAR} has detected pulsations from the ultraluminous X-ray source X-2 in M82 and archival {\it Chandra} observations have given us a good idea of its duty cycle. The newly discovered pulsar exhibited at least 4 super-Eddington outbursts in the past 15 years but, in its lowest-power state, it radiates just below the Eddington limit and its properties appear to be typical of high-mass X-ray binaries. M82 X-2 has been described as a common neutron star with a 1~TG magnetic field that occasionally accretes above the Eddington rate and as a magnetar-like pulsar with a 10-100~TG magnetic field that reaches above the quantum limit. We argue in favor of the former interpretation. Using standard accretion theory and the available observations, we calculate the stellar magnetic field of this pulsar in two independent ways and we show that it cannot exceed 3~TG in either case. We discuss the implications of our results for other ultraluminous X-ray sources that occasionally exhibit similar powerful outbursts.

研究の動機と目的

• M82 X-2が通常のニュートン星であるか、極めて強い磁場を持つ磁気星であるかという議論を解決すること。
• 標準的な降着理論に基づく2つの独立した手法を用いて、M82 X-2の星の磁場を特定すること。
• 観測された放射度と回転速度の変化が、Eddington限界付近のプロペラ効果と整合しているかどうかを検証すること。
• 低放射度状態が、静止状態の磁気圏放射やCorbetギャップに起因するとする解釈に反論すること。
• 同様の活動を示す他の超高輝度X線源（ULXs）に対する意味を評価すること。

提案手法

• 降着円盤の内縁がコロテーション半径に達する条件（プロペラ線条件）を適用し、パulsarの回転周期と回転加速率を用いて最小等方的X線放射度を計算した。
• 磁気圏半径の式（Ghosh & Lamb, 1979）を用い、降着トルクと回転速度の変化のバランスから磁場を導出した。
• NuSTARスペクトルの高エネルギー端末（14 keV）を用いて、標準的な降着理論と整合する磁場推定値を検証した。
• 降着円盤の内縁位置や質量降着率に関する誤った仮定が、以前のモデルの不一致を引き起こしていたことを特定し、是正した。
• King & Lasota (2016) や Karino & Miller (2016) の代替モデルを評価し、それらがプロペラ線条件を満たさないことを示した。
• 降着円盤の内縁におけるEddington降着率を用いて、放射度と磁場の推定値を固定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線パulsar M82 X-2の真の磁場強度は何か？ これは磁気星的解釈か、標準的なニュートン星の解釈かを支持するか？
• RQ2 M82 X-2の観測された放射度の変化は、Eddington限界付近のプロペラ効果と整合的か？
• RQ3 M82 X-2の低放射度状態は、静止状態の磁気圏放射やCorbetギャップ状態として説明できるか？
• RQ4 回転速度の変化とスペクトル端末から得られる2つの独立した磁場推定値はどのように比較できるか？ それらは源の降着状態に何を示唆するか？
• RQ5 やや低い磁場が、同様の活動を示す他の超高輝度X線源（ULXs）の性質にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 2つの独立した手法（回転速度の変化と高エネルギースペクトル端末）を用いて、M82 X-2の磁場は≤3 TGに制限される。
• この源はEddington限界付近のプロペラ線に位置しており、最小放射度状態ではL_Eddをわずかに下回る放射度を示しており、標準的な降着理論と整合的である。
• 観測された超Eddington状態の活動は、極めて強い磁場や超臨界降着によるものではなく、非等方的X線放射（ビーム化）によって説明できる。
• 低放射度状態が静止状態の磁気圏放射やCorbetギャップ状態であるという解釈は、観測結果および理論的制約と整合しない。
• モデルは頑健である：代替的な降着率推定値を用いても、降着円盤の内縁におけるEddington限界降着率を基準とすれば、同じ磁場推定値が得られる。
• 結果は、M82 X-2が特異な物体ではなく、標準的な高質量X線連星パulsarであるという見解を支持しており、他のULXsも同様にビーム化放射を示すニュートン星である可能性がある。