[논문 리뷰] A New Determination of the Spectra and Luminosity Function of Gamma-Ray Millisecond Pulsars

Ilias Cholis, Dan Hooper외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 21.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 5.6년간의 페르미 고에너지 우주선 탐지기 데이터를 분석하여 61개의 밀리초 펄서(MSPs)의 감마선 스펙트럼과 광도 함수를 규명한다. 대부분의 MSPs가 1–2 GeV에서 피크를 보이는 거듭제곱 법칙 스펙트럼을 방출하는 것으로 나타났으며, 광도 함수는 약 10³²–10³⁴ erg/s에서 피크를 이룬다. 이는 전체 복사원이 소수의 밝은 MSPs에 의해 지배되며, 감마선 방출이 X선 방출보다 더 덜 빔형이므로 외부 갭 또는 슬롯 갭 모델이 펄서 캡 모델보다 더 유리하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

In this article, we revisit the gamma-ray emission observed from millisecond pulsars and globular clusters. Based on 5.6 years of data from the Fermi Gamma-Ray Space Telescope, we report gamma-ray spectra for 61 millisecond pulsars, finding most to be well fit by a power-law with an exponential cutoff, producing to a spectral peak near ~1-2 GeV (in $E^2 dN/dE$ units). Additionally, while most globular clusters exhibit a similar spectral shape, we identify a few with significantly softer spectra. We also determine the gamma-ray luminosity function of millisecond pulsars using the population found in the nearby field of the Milky Way, and within the globular cluster 47 Tucanae. We find that the gamma-ray emission observed from globular clusters is dominated by a relatively small number of bright millisecond pulsars, and that low-luminosity pulsars account for only a small fraction of the total flux. Our results also suggest that the gamma-ray emission from millisecond pulsars is more isotropic and less strongly beamed than the emission at X-ray wavelengths. Furthermore, the observed distribution of apparent gamma-ray efficiencies provides support for the slot gap or the outer gap models over those in which the gamma-ray emission originates from regions close to the neutron star's magnetic poles (polar cap models).

연구 동기 및 목표

• 확장된 페르미 데이터를 활용하여 밀리초 펄서의 감마선 스펙트럼과 광도 함수를 규명하는 것.
• 감마선 방출의 빔형 성질이 X선 방출과 비교하여 어떻게 되는지 평가하는 것.
• 관측된 스펙트럼 및 광도 분포를 바탕으로 다양한 방출 모델(예: 외부 갭, 슬롯 갭, 펄서 캡)의 타당성을 평가하는 것.
• 구형별집단에서의 감마선 방출이 소수의 밝은 MSPs에 의해 지배되는지, 아니면 낮은 광도의 소스 집단에 의해 지배되는지 조사하는 것.
• 감마선 효율의 분포와 그 펄서 방출 메커니즘에 대한 함의를 검토하는 것.

제안 방법

• 61개의 MSPs의 감마선 스펙트럼을 지수 억제된 거듭제곱 법칙 모델로 피팅: dN/dE ∝ E^−α exp(−E/E_cut).
• 16개의 고신뢰도 구형별집단과 36개의 개별 집단에 대해 스택드 스펙트럼 분석을 수행하여 집합적 스펙트럼 형태를 유도함.
• 관측된 복사원과 거리 자료를 바탕으로 은하수의 필드 MSPs에 대한 감마선 광도 함수(LdN/dL)를 유도함.
• 실증적 X선-감마선 광도 상관관계를 적용하여 구형별집단 47 Tucanae의 감마선 광도 함수를 추정함.
• 관측된 스펙트럼 및 광도 분포를 이론적 방출 모델(슬롯 갭, 외부 갭, 펄서 캡)의 예측과 비교함.
• 스펙트럼 매개변수(α, E_cut), 광도, 거리, 주기, 연령, 은하수 위도 간의 상관관계를 분석하여 체계적 경향이 있는지 테스트함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대부분의 밀리초 펄서에 대한 감마선 스펙트럼의 형태는 어떻게 되며, 에너지적으로 피크는 어디에 위치하는가?
• RQ2 구형별집단의 전체 감마선 복사원은 개별 MSPs 사이에서 어떻게 분포되어 있는가—소수의 밝은 소스에 의해 지배되는가, 아니면 희미한 소스의 대규모 집단에 의해 지배되는가?
• RQ3 밀리초 펄서의 감마선 방출은 X선 방출보다 더 등방성이 강한가, 그리고 이는 방출 빔형에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 감마선 효율 분포는 외부 갭 또는 슬롯 갭 모델을 펄서 캡 모델보다 더 유리하게 하는가?
• RQ5 구형별집단 내 MSPs와 필드 내 MSPs 간에 스펙트럼 차이가 있는가, 그리고 이는 집단 내 추가적인 소스에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• 61개의 MSPs의 감마선 스펙트럼은 지수 억제된 거듭제곱 법칙으로 가장 잘 기술되며, E²dN/dE 단위에서 1–2 GeV에서 피크를 이룬다. 스택드 스펙트럼은 dN/dE ∝ E^−1.57 exp(−E/3.78 GeV)로 표현된다.
• 은하수의 필드 MSPs와 47 Tucanae의 MSPs에 대한 광도 함수는 L ∼ 10³²–10³⁴ erg/s(0.1 GeV 이상)에서 피크를 이룬다. 이는 L > 10³⁵ erg/s로 연장되는 尾를 포함한다.
• 구형별집단의 전체 감마선 복사원은 소수의 밝은 MSPs에 의해 지배되며, 낮은 광도의 펄서는 총 복사원에 거의 기여하지 않는다.
• MSPs의 감마선 방출은 X선 방출보다 더 덜 강하게 빔형이므로, 더 큰 방출 영역 또는 더 등방성의 복사 패턴을 의미한다.
• 관측된 명시적 감마선 효율 분포는 펄서 캡 모델보다 슬롯 갭 또는 외부 갭 모델을 지지한다. 후자는 다른 광도-스펙트럼 상관관계를 예측하기 때문이다.
• 경사가 높은 스펙트럼 인덱스(α > −0.5) 또는 매우 연약한 스펙트럼(Lγ < 10³³.⁵ erg/s 및 α < −2.2)을 가진 MSPs는 관측되지 않아 현재 카탈로그에 이러한 소스가 부족함을 시사한다.