[논문 리뷰] A NICER View of the Massive Pulsar PSR J0740+6620 Informed by Radio Timing and XMM-Newton Spectroscopy

Riley, Thomas E., Watts, Anna L.외 28명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2021. 05. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 166인용 수 958

한 줄 요약

논문은 NICER X-ray 펄스 프로파일 모델링과 정보가 풍부한 라디오 타이밍 priors 및 XMM-Newton 분광학을 결합하여 거대 밀리초 펄서 PSR J0740+6620의 반경과 질량에 대한 베이지안 추론을 수행한다. 두 개의 핫 표면 영역에 조건화하고 재현성을 위해 오픈 소스 소프트웨어를 사용한다.

ABSTRACT

We report on Bayesian estimation of the radius, mass, and hot surface regions of the massive millisecond pulsar PSR J0740$+$6620, conditional on pulse-profile modeling of Neutron Star Interior Composition Explorer X-ray Timing Instrument (NICER XTI) event data. We condition on informative pulsar mass, distance, and orbital inclination priors derived from the joint NANOGrav and CHIME/Pulsar wideband radio timing measurements of arXiv:2104.00880. We use XMM European Photon Imaging Camera spectroscopic event data to inform our X-ray likelihood function. The prior support of the pulsar radius is truncated at 16 km to ensure coverage of current dense matter models. We assume conservative priors on instrument calibration uncertainty. We constrain the equatorial radius and mass of PSR J0740$+$6620 to be $12.39_{-0.98}^{+1.30}$ km and $2.072_{-0.066}^{+0.067}$ M$_{\odot}$ respectively, each reported as the posterior credible interval bounded by the 16% and 84% quantiles, conditional on surface hot regions that are non-overlapping spherical caps of fully-ionized hydrogen atmosphere with uniform effective temperature; a posteriori, the temperature is $\log_{10}(T$ [K]$)=5.99_{-0.06}^{+0.05}$ for each hot region. All software for the X-ray modeling framework is open-source and all data, model, and sample information is publicly available, including analysis notebooks and model modules in the Python language. Our marginal likelihood function of mass and equatorial radius is proportional to the marginal joint posterior density of those parameters (within the prior support) and can thus be computed from the posterior samples.

연구 동기 및 목표

• PSR J0740+6620의 등적 반경 및 질량을 NICER X-ray 펄스 프로파일 모델링으로 추정하고 정보가 풍부한 라디오 타이밍 priors에 조건화한다.
• XMM-Newton EPIC 분광학을 도입해 X-ray 우도 함수를 알려준다.
• 표면 핫 영역 모델을 탐색하고 반경 추론에 미치는 영향을 평가한다.
• 질량, 거리, 그리고 경사에 대한 priors가 공동 라디오 타이밍 제약을 반영하면서도 EOS 관련 커버리지를 허용하도록 한다.
• 분석 재현을 가능하게 하는 데이터 및 소프트웨어를 제공하고 EOS의 함의를 설명한다.

제안 방법

• NICER XTI 펄스 프로파일 데이터에 조건화된 중성자별 반지름과 질량의 베이지안 추정.
• NANOGrav × CHIME/Pulsar 라디오 타이밍 측정(Fonseca et al. 2021a)에서 도출된 질량, 거리, 경사에 대한 공동 priors.
• X-PSI v0.7을 사용한 편평하고 회전하는 중성자별 표면으로부터의 X-ray 광자에 대한 일반 상대론적 광선 추적.
• 표면 방사선을 설명하기 위한 두 개의 핫 영역 표면 모델(수소 대기층을 가진 비중첩 구 형태 캡)
• XMM-Newton EPIC 분광학을 NICER 데이터와 함께 X-ray 우도 정보를 제공하도록 사용.
• 사후 확률에서 질량-반경를 부분적 우도로 해석하여 EOS 분석용 부분적 우도를 구성할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NICER 펄스 프로파일 데이터가 정보가 풍부한 라디오 타이밍 priors에 조건화되었을 때 PSR J0740+6620의 질량과 등적 반경은 무엇인가?
• RQ2 NICER XTI 데이터 하에서 표면 핫 영역 구성이 반경 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 XMM-Newton 분광학이 X-ray 우도 및 결과적으로 질량-반경 추정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 질량-반경 사후 확률을 보조 분석에서 EOS 추론에 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 거리에 대한 priors, 질량, 경사에 대한 priors 및 분산 측정 변동 처리가 결과에 얼마나 민감하게 작용하는가?

주요 결과

• 등적 반경과 질량은 R = 12.39 km로 한정되며 -0.98/+1.30(16번째–84번째 분위수) 및 M = 2.072 M⊙로 한정되며 -0.066/+0.067(16번째–84번째 분위수).
• 표면의 두 비중첩 핫 영역의 온도와 크기가 각 영역에 대해 포스트리오리 uniforme 유효온도(log10(T[K]) = 5.99에 대해 -0.06/+0.05)로 추정된다.
• 반경 추정은 질량, 거리, 궤도 경사에 대한 정보가 풍부한 radio timing priors에 조건화되어 NICER 데이터 단독보다 더 촘촘한 제약을 제공한다.
• 모든 분석 소프트웨어는 오픈 소스이며 데이터, 모델, 샘플이 공개적으로 이용 가능하며 분석 노트북 및 파이썬 모듈을 포함한다.
• 질량과 등적 반경의 부분적 우도는 EOS 보조 분석에서 후속 연구의 EOS 포스트리오를 위한 마진드 우도로 회수 가능하다.