[論文レビュー] X-ray Observations of Neutron Stars and Pulsars: First Results from XMM-Newton

W. Becker, B. Aschenbach|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、観測機器の高透過率とマルチインストルメント機能を活用して、ニュートリノ星およびパルサーの初回のXMM-Newton X線観測を報告する。主な結果として、カブスパルサーからのパルス状X線放射の検出、超新星残骸内（例：RX J0852-4622、Puppis-A）の若いニュートリノ星、およびミリ秒パルサー（例：PSR J0030+0451）の観測が得られ、複雑な熱的および非熱的放射成分の特定と、表面温度分布の不均一性の制約がなされた。

ABSTRACT

The X-ray Multi-Mirror Mission XMM-Newton is ESA's largest observatory so far; it is dedicated to explore the Universe in the 0.2 - 15 keV X-ray band of the electromagnetic spectrum. Because of its large collecting area very faint sources not accessible before can be observed and it is therefore the long awaited instrument to study young pulsars and neutron stars in supernova remnants, cooling neutron stars and millisecond pulsars at X-ray energies. The high throughput of the instruments, which all are operated simultaneously, provide high resolution spectral, spatial and temporal information from a source during a single observation and make XMM-Newton unique and best suited for pulsar studies. In this article we briefly describe the instrument capabilities useful for pulsar observations and provide information on the timing accuracy on the relative and absolute scale. We further provide scientific results from observations of the Crab-pulsar, PSR J1617-5055 near RCW 103, of young neutron stars in the supernova remnants RX J0852-4622, Puppis-A and RCW 103 including 1E161348-5055.1 which is identified to be the second binary in a supernova remnant. In addition we report on observations of the cooling neutron star PSR B1055-52 and on the millisecond pulsar PSR J0030+0451 which all were observed by XMM-Newton during the first two years of scientific operation.

研究の動機と目的

• XMM-Newtonの高集光面積とマルチインストルメント機能を活用し、超新星残骸および孤立系における微弱なニュートリノ星およびパルサーを研究すること。
• 高分解能スペクトルおよびタイミング解析を通じて、若年ニュートリノ星、冷却ニュートリノ星、およびミリ秒パルサーからのX線放射の性質を調査すること。
• 表面温度分布の不均一性の起源を特定し、熱輸送、磁場効果、ニュートリノ星の大気モデルを検証すること。
• 異常X線パルサーおよびソフトガンマ線バースト源におけるパルサー活動の抑制または維持に寄与する磁場、降着、内部過程の役割を評価すること。
• 中年期パルサー（$10^6-10^7$年）の観測を通じて、ニュートリノ星の進化機構を制約すること。

提案手法

• EPIC-PNおよびEPIC-MOSのCCDカメラを備えたXMM-Newtonの3台のX線望遠鏡を用い、同時にスペクトル、空間的、タイミング的観測を実施。
• 源の混在が深刻な領域における誤差を最小限に抑えるために、PNのスモールウィンドウモード（視野4.4′ × 4.4′、時間分解能5.67 ms）を採用。
• ミリ秒パルサーの観測に高速タイミングモードおよびバーストモードを適用し、時間分解能0.0072 msを達成したが、空間的分解能および信号対雑音比は低下した。
• 反射グレーティングスペロメータ（RGS1およびRGS2）を用いて、X線線スペクトルの高分解能分析を実施。
• 背景減算および位相分解スペクトル解析を用い、カブスパルサー、PSR J1617-5055、PSR B1055-52からのX線光曲線およびスペクトルを分析。
• 観測されたX線スペクトルを、ニュートリノ星大気モデル、熱放射、磁気圏内非熱的プロセスの理論的モデルと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたニュートリノ星表面の非均一な温度分布の原因は何か。磁場によるチャネリング効果か、極域加熱によるものか。
• RQ2 理論的モデルの予測とは対照的に、大多数のニュートリノ星のスペクトルに明確な大気吸収または発光特徴が検出されないのはなぜか。
• RQ3 異常X線パルサーおよびソフトガンマ線バースト源はマグネターであるか、それとも残存降着円盤などの代替メカニズムに起因するのか。
• RQ4 パルサーの周期と磁場強度に応じて、熱的および非熱的放射の寄与度はどのように変化するか。
• RQ5 中年期ニュートリノ星では、どのようなメカニズムがパルサー活動を維持または抑制し、$10^6-10^7$年間の期間にわたりどのように進化するか。

主な発見

• カブスパルサーのX線放射は高時間分解能で成功裏にモニタリングされ、パルス性が確認され、詳細なスペクトル解析が可能となった。
• 超新星残骸内（RX J0852-4622、Puppis-A、RCW 103など）の若いニュートリノ星が高SN比で検出され、ニュートリノ星由来と整合する硬いX線放射が確認された。
• RCW 103付近のPSR J1617-5055は、軟らかなX線スペクトルを示し、残骸との関連を支持する若いニュートリノ星と特定された。
• 冷却ニュートリノ星PSR B1055-52は、複雑なX線スペクトルを示し、少なくとも2つの熱的成分を含むことが判明し、表面温度の不均一性が示唆された。
• ミリ秒パルサーPSR J0030+0451は高時間分解能で観測され、正確なパルス位相解析が可能となり、放射モデルの制約がなされた。
• RX J1856-3754のLETGスペクトルには明確な大気特徴が検出されなかったが、高精度の黒体フィットが得られ、大気吸収または発光の検出不能性が示唆された。