[논문 리뷰] A Search for X-ray Counterparts of Radio Pulsars

Tobias Prinz, W. Becker|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 6인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 ATNF 데이터베이스(버전 1.54)의 라디오 펄서 위치를 XMM-Newton 및 찰리안 X선 관측 자료와 체계적으로 상관분석하여 X선 대응체를 식별한다. 288개의 라디오 펄서 중에서 20개의 새로운 X선 검출 결과를 보고하며, 각각 6개와 23개의 펄서에 대해 스펙트럼 모델링 및 복사율/온도 상한선을 도출한다. 이는 중성자별의 최소 냉각 이론을 지지한다.

ABSTRACT

We describe a systematic search for X-ray counterparts of radio pulsars. The search was accomplished by cross-correlating the radio timing positions of all radio pulsars from the ATNF pulsar database (version 1.54) with archival XMM-Newton and Chandra observations publicly released by July 1st 2016. In total, 178 of the archival XMM-Newton observations and 213 of the archival Chandra datasets where found to have a radio pulsar serendipitously in the field of view. From the 288 radio pulsars covered by these datasets we identified 20 previously undetected X-ray counterparts. For 6 of them the statistics was sufficient to model the energy spectrum with one- or two-component models. For the remaining new detections and for those pulsars for which we determined an upper limit to their counting rate we computed the energy flux by assuming a Crab-like spectrum. Additionally, we derived upper limits on the neutron stars' surface temperature and on the non-thermal X-ray efficiency for those pulsars for which the spin-down energy was known. The temperature upper limits where compared with predictions from various neutron star cooling models and where found to be in agreement with the minimal cooling paradigm

연구 동기 및 목표

• 기존에 X선에서 검출되지 않은 라디오 펄서에 대해 압축된 X선 자료를 활용해 X선 대응체를 식별한다.
• 크랩 스펙트럼 유사성을 가정하여 검출되지 않은 펄서의 X선 광도 및 에너지 복사율 상한선을 제약한다.
• 기존의 자화 손실 광도를 이용해 중성자별 표면 온도 및 비열성 X선 효율 상한선을 유도한다.
• 관측된 온도 상한선과 이론적 중성자별 냉각 모델을 비교하여 검증한다.
• 다양한 에너지 대역에서 자전 구동 펄서의 X선 효율성을 향상시키기 위한 이해를 도모한다.

제안 방법

• ATNF 펄서 데이터베이스(버전 1.54)에서 제공하는 라디오 펄서 시계 위치를 2016년 7월 1일까지 공개된 모든 XMM-Newton 및 찰리안 관측 자료와 상관분석한다.
• 최소한 하나의 라디오 펄서가 시야에 포함된 178개의 XMM-Newton 및 213개의 찰리안 데이터셋을 식별한다.
• XMM-Newton 및 찰리안 데이터의 표준 X선 데이터 처리 파이프라인을 사용해 소스 추출 및 배경 모델링을 수행한다.
• 검출된 X선 소스에 대해 단일 또는 이중 성분 모델(예: 블랙보디 및 파워 레인지)을 적합하여 스펙트럼 매개변수를 유도한다.
• 검출되지 않은 소스 및 신호 대비 잡음 비율이 낮은 펄서에 대해 크랩 스펙트럼 유사성을 가정하여 에너지 복사율을 계산한다.
• 자화 손실 광도 및 관측된 복사율 상한선을 이용해 표면 온도 및 비열성 X선 효율 상한선을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 XMM-Newton 및 찰리안 관측 자료에서 기존에 검출되지 않은 X선 대응체는 라디오 펄서 중 몇 개인가?
• RQ2 신규로 검출된 X선 펄서의 스펙트럼 특성 및 복사율은 무엇이며, 표준 복사 성분으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 유도된 중성자별 표면 온도 상한선은 최소 냉각 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 자전 구동 펄서의 비열성 X선 효율은 얼마이며, 이전 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 X선 복사율 상한선은 중성자별의 최소 냉각 이론을 지지하는가, 아니면 이를 반박하는가?

주요 결과

• 압축된 XMM-Newton 및 찰리안 관측 자료를 대상으로 288개의 라디오 펄서 중에서 20개의 새로운 X선 대응체를 식별하였다.
• 신규 검출된 6개의 소스 중에서 신호 대비 잡음 비율이 충분하여 블랙보디 + 파워 레인지 등과 같은 단일 또는 이중 성분 모델로 X선 스펙트럼을 모델링할 수 있었다.
• 나머지 소스에 대해서는 크랩 스펙트럼 유사성을 가정하여 에너지 복사율 상한선을 계산하였으며, 그 값은 $<1.0 \times 10^{-15}$에서 $<1.6 \times 10^{-1}$ erg cm⁻² s⁻¹ 범위에 해당하였다.
• 23개의 펄서에 대해 중성자별 표면 온도 상한선을 유도하였으며, 그 값은 $<1.0 \times 10^{-5}$에서 $<6.4 \times 10^{-1}$ eV 범위에 해당하였고, 최소 냉각 이론과 일치하는 것으로 확인되었다.
• 자화 손실 광도가 알려진 펄서에 대해 비열성 X선 효율 상한선을 계산한 결과, 이전 연구에서 관측된 $L_X \rightarrow 10^{0.92} \tilde{E}$ 스케일링과 일치하는 것으로 나타났다.
• 유도된 온도 상한선을 이론적 냉각 모델과 비교한 결과, 코플러 쌍 붕괴 및 형성에 의해 중성자별이 중성미자를 방출하는 최소 냉각 시나리오와 일치하는 것으로 확인되었다.