[論文レビュー] X-Ray Studies of Redbacks

M. S. Roberts, M. A. McLaughlin+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、赤バック型ミリ秒パルサー系におけるX線放射を調査し、二重星間衝撃波のダイナミクスに焦点を当てる。チャンドラとXMM-NewtonによるPSR J1628−3205およびPSR J2129−0429の観測を用いて、X線の放射度が軌道位相と強く関連しており、下弦の位相でピークを示し、約11倍の輝度変動を示すことが判明した。これは、伴星に近い場所にコンパクトな衝撃領域があることを示唆している。硬めの非熱的スペクトル（Γ ≈ 1.04）と高いX線効率（約10％）は、エネルギー変換が効率的であることを示し、二重ピークの光曲線と軌道位相の非対称性は、伴星の磁場が放射の形態に重要な役割を果たしている可能性を示している。

ABSTRACT

We consider the X-ray properties of the redback class of eclipsing millisecond pulsars. These are transitional systems between accreting low-mass X-ray binaries and binary millisecond pulsars orbiting white dwarfs, and hence their companions are non-degenerate and nearly Roche-lobe filling. The X-ray luminosity seems to scale with the fraction of the pulsar sky subtended by the companion, suggesting the shock region is not much larger than the companion, which is supported by modeling of the orbital light curves. The typical X-ray photon spectral index is $\sim 1$ and the typical 0.3-8 keV X-ray efficiency, assuming a shock size on the order of the companion's Roche lobe cross-section, is on the order of 10%. We present an overview of previous investigations, and present new observations of two redbacks, a Chandra observation of PSR J1628$-$3205 and a XMM-Newton observation of PSR J2129$-$0429. The latter shows a clearly double peaked orbital light curve with variation of the non-thermal flux by a factor of $\sim 11$, with peaks around orbital phases 0.6 and 0.9. We suggest the magnetic field of the companion plays a significant role in the X-ray emission from intrabinary shocks in redbacks.

研究の動機と目的

• 赤バック型ミリ秒パルサーのX線的性質を理解すること。これは、降着するLMXBと二重系ミリ秒パルサーの中間的性質を持つ移行的クラスである。
• これらの系における二重星間衝撃放射の起源と空間的スケールを調査すること。
• 伴星の磁場がX線放射および軌道光曲線の形態に顕著な影響を及ぼしているかどうかを特定すること。
• 新しく観測された2つの赤バック系、PSR J1628−3205およびPSR J2129−0429のX線放射度、スペクトルの硬さ、および軌道位相による変調を測定すること。
• パルサー風が伴星によって捕獲されるエネルギーから生じるX線生成の効率を評価すること。

提案手法

• パルサー状態におけるPSR J1628−3205のX線的性質を調査するために、チャンドラ観測を実施した。
• PSR J2129−0429に対して70 ksのXMM-Newton観測を実施し、1周分の完全な軌道を連続的にカバーした。
• 光曲線の解析により、変動を検出し、二重ピークの変調パターンを同定した。
• 非熱的および熱的成分を分離するために、吸収されたパワー則＋ブラックボディモデルでX線スペクトルをフィットした。
• 放射度の軌道位相にわたる変化を比較することで、等方的または赤道風モデルを仮定して、衝撃領域のサイズと幾何学的形状を推定した。
• 光曲線ピークの位相と非対称性の分析を通じて、伴星の磁場の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線放射度の軌道変調から、赤バック系における二重星間衝撃領域の空間的スケールはどの程度と推定されるか？
• RQ2 なぜPSR J2129−0429のX線光曲線は、上弦の位相付近に1つのピークではなく、位相～0.6と～0.9に2つの明確なピークを示すのか？
• RQ3 赤バック系のX線効率は理論的期待値と比較してどうなっており、これはパルサー風のコリメーションや磁化度にどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 伴星の磁場が、二重星間衝撃からのX線放射のダイナミクスとビーミングにどの程度の影響を及ぼしているか？
• RQ5 なぜPSR J2129−0429のX線スペクトルは非常に硬い（Γ ≈ 1.04）であり、10 keVまでにスペクトルカットオフがないのか？これは衝撃状態にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• XMM-NewtonによるPSR J2129−0429の光曲線は、軌道位相0.2–0.3（最小）と0.575–0.65（最大）の間で約11倍の著しい輝度変動を示しており、強い軌道変調が確認された。
• X線放射は下弦の位相でピークを示し、位相～0.6および～0.9に2つの明確な最大値を示しており、局所的で非等方的な放射領域からのドップラー補正または相対論的ビーミングを示唆している。
• 非熱的X線スペクトルは極めて硬く、光子指数はΓ = 1.04（90％信用区間：0.92–1.15）であり、他の赤バック系と一致しており、効率的な粒子加速を示している。
• 放射度変動が伴星のロシュ体の投影面積と一致するため、衝撃領域は伴星のロシュ体の大きさを越えてはいないと制限され、コンパクトな放射領域であると示唆されている。
• 上弦の位相における熱的成分（kT = 0.21 keV）は全輝度の約1/4に過ぎず、吸収の変化は顕著でないため、輝度低下の原因は吸収ではないと排除された。
• 二重ピークの光曲線と位相の非対称性は、伴星の磁場が衝撃放射の形態を決定づける重要な役割を果たしている可能性を示唆しており、磁場が流れを導くか整列させる可能性がある。