[논문 리뷰] A propeller model for the sub-luminous disk state of the transitional millisecond pulsar PSR J1023+0038

Alessandro Papitto, D. F. Torres|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 20.

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한 줄 요약

이 논문은 전이성 밀리초 펄서 PSR J1023+0038의 부광도 낮은 디스크 상태가 빠르게 회전하는 중성자별의 자기장 구름이 대부분의 유입되는 물질을 밀어내는 프로펠러 메커니즘에 의해 유도된다고 제안한다. 이 과정에서 난류 상태의 경계층이 형성되며, 전자들이 기하학적 에너지로 가속화된다. 이 영역에서 발생하는 동기방출 및 자기동기방출 콜로모프 방출과 함께 디스크에서 오는 딱딱한 X선 방출이 결합되어 관측된 X선 및 감마선 스펙트럼을 성공적으로 재현한다. 이 경우 유입률은 1–3×10⁻¹¹ M⊙ yr⁻¹이며, 내부 디스크 반경은 30–45 km이다.

ABSTRACT

The discovery of millisecond pulsars switching between states powered either by the rotation of their magnetic field or by the accretion of matter, has recently proved the tight link shared by millisecond radio pulsars and neutron stars in low-mass X-ray binaries. Transitional millisecond pulsars also show an enigmatic intermediate state in which the neutron star is surrounded by an accretion disk, it emits coherent X-ray pulsations, but is sub-luminous in X-rays with respect to accreting neutron stars, and is brighter in gamma-rays than millisecond pulsars in the rotation-powered state. Here, we model the X-ray and gamma-ray emission observed from PSR J1023+0038 in such a state based on the assumption that most of the disk in-flow is propelled away by the rapidly rotating neutron star magnetosphere, and that electrons can be accelerated to energies of a few GeV at the turbulent disk-magnetosphere boundary. We show that the synchrotron and self-synchrotron Compton emission coming from such a region, together with the hard disk emission typical of low states of accreting compact objects, is able to explain the radiation observed in the X-ray and gamma-ray band. The average emission observed from PSR J1023+0038 is modelled by a disk in-flow with a rate of $(1-3) imes10^{-11} M_{\odot}/yr$, truncated at a radius ranging between 30 and 45 km, compatible with the hypothesis of a propelling magnetosphere. We compare the results we obtained with models that rather assume that a rotation-powered pulsar is turned on, showing how the spin down power released in similar scenarios is hardly able to account for the magnitude of the observed emission.

연구 동기 및 목표

• PSR J1023+0038의 중간 상태, 즉 디스크가 포함된 상태에서 관측된 부광도 낮은 X선 방출과 강화된 감마선 방출을 설명하기 위해.
• 회전력 기반 펄서의 낮은 스핀다운 힘과 비교하여 관측된 높은 감마선 빛의 강도(~10³⁴ erg s⁻¹) 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 빠르게 회전하는 중성자별이 유입되는 물질을 밀어내는 프로펠러 메커니즘이 관측된 방출 특성들을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 상태 전이 기간 동안 일시적인 라디오 펄서 활동을 포함하는 다른 해석들과의 차이를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 강한 자기장과 플라즈마 불안정성에 의해 전자가 기하학적 에너지로 가속화되는 난류 디스크-자기장 경계층에서의 방출을 모델링한다.
• 전력법 에너지 분포를 가정하여, 상대론적 전자에서 발생하는 동기방출 및 자기동기방출 콜로모프(SSI) 방출을 계산한다.
• 낮은 빛의 강도 상태에서 일반적인 딱딱한 X선 성분을 포함하며, 광자 지수 Γ ≈ 1.5이고 100 keV 이하에서 잘린 부분이 없는 전력법 스펙트럼을 사용한다.
• 디스크의 질량 유입률을 1–3×10⁻¹¹ M⊙ yr⁻¹로 설정하고, 중성자별에서 30–45 km 거리에서 디스크를 잘라내어 관측된 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 맞춘다.
• 프로펠러 모델의 에너지 예산을 회전력 기반 펄서 시나리오와 비교하여, 후자가 관측된 감마선 빛의 강도를 설명할 수 없다는 것을 보여준다.
• 점성 시간 스케일을 이용하여 10–50초 간격의 X선 변동성이 질량 유입률의 변동과 내부 디스크 반경의 변화로 인한 것임을 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로펠러 메커니즘이 PSR J1023+0038의 중간 상태에서 관측된 부광도 낮은 X선 방출과 강화된 감마선 방출을 설명할 수 있는가?
• RQ2 프로펠러 모델 하에서 관측된 SED를 재현하기 위해 필요한 유입률과 내부 디스크 반경은 무엇인가?
• RQ3 관측된 감마선 빛의 강도 ~10³⁴ erg s⁻¹는 회전력 기반 펄서의 스핀다운 힘과 호환되는가?
• RQ4 10–50초 간격의 X선 광도 변동은 프로펠러 제도에서의 유입 동역학과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 라디오 방출과 감마선 방출은 동일한 방출 영역 또는 메커니즘으로 일관되게 설명될 수 있는가?

주요 결과

• PSR J1023+0038의 관측된 X선 및 감마선 SED는 난류 디스크-자기장 경계층에서 발생하는 동기방출 및 자기동기방출 콜로모프 방출의 조합에 의해 잘 재현된다.
• 필요한 유입률은 1–3×10⁻¹¹ M⊙ yr⁻¹이며, 디스크는 30–45 km 거리에서 잘려나가며, 자기장 프로펠러 제도와 일치한다.
• ~10³⁴ erg s⁻¹의 감마선 빛의 강도는 회전력 기반 펄서로는 설명될 수 없으며, 스핀다운 힘의 90%가 감마선으로 변환되어야 하기 때문이다.
• 10–50초 간격의 X선 변동성은 질량 유입률의 점성 시간 스케일 변동과 관련된 내부 디스크 반경의 변화로 자연스럽게 설명된다.
• 라디오 방출은 더 넓고 광학적으로 투명한 제트에서 발생할 가능성이 높으며, 고에너지 방출은 자기장 경계 근처의 밀도 높고 자기흡수된 영역에서 기인한다.
• 프로펠러 모델은 동시에 존재하는 유입 디스크, X선 펄세이션, 낮은 X선 빛의 강도, 높은 감마선 출력을 일관되게 설명할 수 있다.