[論文レビュー] X-ray Search for Axions from Nearby Isolated Neutron Stars

Malte Buschmann, Raymond T. Co+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、近隣の孤立中性子星（マジシャン・セブン）の磁場内で光子に変換されるアキソンから生じるハードX線放射を探索する。XMM-NewtonおよびChandraのアーカイブデータを用いて、アキソン質量が約10⁻⁴ eV未塔の範囲で、アキソン-光子およびアキソン-核子結合定数に対するこれまでで最も強い制限を設定した。同時に、アキソン放射を示唆する可能性のあるハードX線過剰が検出された。

ABSTRACT

Axions may be produced thermally inside the cores of neutron stars (NSs), escape the stars due to their weak interactions with matter, and subsequently convert into X-rays in the magnetic fields surrounding the NSs. We perform a hard X-ray search from 2 - 8 keV arising from this emission mechanism from the nearby Magnificent Seven isolated NSs using archival XMM-Newton and Chandra data. These NSs are unique in that they have only been detected in the UV and soft X-ray bands; their observed fluxes are thought to arise from thermal emission at temperatures ~100 eV from the NS surfaces. We use the X-ray datasets to set the strongest limits to-date on the product of the axion-photon and axion-nucleon couplings for axion masses below ~$10^{-4}$ eV. Moreover, we interpret an observed excess of hard X-rays from the Magnificent Seven in the context of the axion model, and we discuss possible future measurements to help rule out or confirm this possibility.

研究の動機と目的

• 中性子星の核内で熱的に生成されたアキソンが、その磁場内でX線に変換されるという仮説を検証すること。
• 理論的予測ではアキソン放射が生じるにもかかわらず、孤立中性子星でのハードX線検出が見られないという事実に対処すること。
• マジシャン・セブンの中性子星に対する高感度X線観測を用いて、アキソン結合定数の制限を強化すること。
• 観測されたハードX線過剰が、アキソンから光子への変換によって説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• マジシャン・セブンの中性子星について、2–8 keVエネルギー領域におけるアーカイブXMM-NewtonおよびChandraX線観測データを分析する。
• 予想される熱的ソフトX線およびUV放射よりも高いエネルギー領域での過剰放射を探索するために、スペクトルフィッティング技術を適用する。
• アキソンの生成が中性子星の核内で起こり、その後外部の磁場内で光子に変換されるというメカニズムをモデル化する。
• 理論的アキソン-光子結合およびアキソン-核子結合パラメータを用いて、X線放射の予測値を算出し、観測データと比較する。
• 観測された放射度が、標準的な熱的放射モデルと比較して、アキソン誘発放射と整合するかどうかを統計的有意性テストで評価する。
• 予測されたX線放射度と観測された放射度を比較することにより、アキソン-光子およびアキソン-核子結合定数の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星の磁場内でアキソンから光子への変換が、2–8 keV領域で検出可能なハードX線放射を生じうるか？
• RQ2 現在の孤立中性子星のX線観測に基づいて、アキソン-光子およびアキソン-核子結合定数に対する最も強い制限は何か？
• RQ3 マジシャン・セブンからの観測されたハードX線過剰は、アキソン放射の起源と整合的か？
• RQ4 現在のX線データは、熱的放射モデルのみを想定する場合と、アキソン放射を含むモデルと比較して、どのように異なるか？
• RQ5 今後のどの観測またはデータが、観測されたX線過剰のアキソン仮説を明確に確認または除外するのに最も効果的か？

主な発見

• アキソン質量が約10⁻⁴ eV未塔の範囲で、アキソン-光子およびアキソン-核子結合定数の積に対する、これまでで最も強い上限を設定した。
• マジシャン・セブンの大多数の源では顕著な過剰放射は検出されず、これによりアキソン結合定数に対する信頼性の高い上限が得られた。
• マジシャン・セブンの結合データにおいてわずかなハードX線過剰が観測されたが、これはアキソン放射と整合的である可能性があるが、さらなる確認が必要である。
• ほとんどの場合、観測されたX線放射度は標準的な熱的放射モデルと整合的であるが、2–8 keVバンドにおける過剰放射は、既知の天体物理学的プロセスでは説明できないままである。
• 今後の高感度および高エネルギー分解能を備えたX線ミッションが、アキソン仮説を明確に検証できる可能性がある。
• 得られた制限は、他の天体物理学的および実験的制限と同等の水準であり、中性子星観測によるアキソン検出の可能性を強化している。