[논문 리뷰] Bright X-ray and Radio Pulses from a Recently Reactivated Magnetar

Aaron B. Pearlman, Walid A. Majid외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 18.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 74인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 최근 재활성화된 망원경자기성자 XTE J1810–197 로부터 NICER 를 사용해 붐비는 지속적인 단일 X선 펄스를 탐지한 결과를 보고한다. 이는 폭발 상태 외부에서 관측된 것이다. 이전의 급격한 X선 사건들과는 달리, 이러한 펄스는 에너지가 낮고 명확한 시간적 구조를 보이며, X선과 라디오 펄스의 진폭 또는 타이밍 간 상관관계가 없어, 두 대역에서 별개의 발광 메커니즘이 존재함을 시사한다. 이는 8.3 및 31.9 GHz 에서 동시에 관측된 결과임에도 불구하고 그렇다.

ABSTRACT

Magnetars are young, rotating neutron stars that possess larger magnetic fields ($B$ $\approx$ $10^{13}$-$10^{15}$ G) and longer rotational periods ($P$ $\approx$ 1-12 s) than ordinary pulsars. In contrast to rotation-powered pulsars, magnetar emission is thought to be fueled by the evolution and decay of their powerful magnetic fields. They display highly variable radio and X-ray emission, but the processes responsible for this behavior remain a mystery. We report the discovery of bright, persistent individual X-ray pulses from XTE J1810-197, a transient radio magnetar, using the Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) following its recent radio reactivation. Similar behavior has only been previously observed from a magnetar during short time periods following a giant flare. However, the X-ray pulses presented here were detected outside of a flaring state. They are less energetic and display temporal structure that differs from the impulsive X-ray events previously observed from the magnetar class, such as giant flares and short X-ray bursts. Our high frequency radio observations of the magnetar, carried out simultaneously with the X-ray observations, demonstrate that the relative alignment between the X-ray and radio pulses varies on rotational timescales. No correlation was found between the amplitudes or temporal structure of the X-ray and radio pulses. The magnetar's 8.3 GHz radio pulses displayed frequency structure, which was not observed in the pulses detected simultaneously at 31.9 GHz. Many of the radio pulses were also not detected simultaneously at both frequencies, which indicates that the underlying emission mechanism producing these pulses is not broadband. We find that the radio pulses from XTE J1810-197 share similar characteristics to radio bursts detected from fast radio burst (FRB) sources, some of which are now thought to be produced by active magnetars.

연구 동기 및 목표

• XTE J1810–197 의 라디오 재활성화 이후 10여 년이 넘는 침체 상태 이후 X선 및 라디오 방출의 성격을 조사하기 위해.
• 최근 탐지된 X선 펄스가 거대 플레어와 관련이 있는지, 아니면 새로운 종류의 망원경자기성자 방출일지 규명하기 위해.
• 에너지, 진폭, 타이밍 측면에서 X선 및 라디오 펄스 프로파일 간 상관관계를 분석하여 발광 메커니즘을 제약하기 위해.
• 고주파수(8.3 및 31.9 GHz)에서 라디오 스펙트럼과 펄스 구조를 특성화하여 광대역 방출 특성을 평가하기 위해.

제안 방법

• X선 관측은 2019년 2월 6일부터 26일까지 국제우주정거장(_ISS_)에 탑재된 중성자별 내부구성 탐사기(NICER)를 사용하여 수행되었으며, 동시에 수행된 8.3 GHz 타이밍 자료에서 유도된 라디오 에포세미스를 사용해 보정된 태양계중심(X-ray photon arrival times)을 사용하여 펄스를 폴딩하였다.
• 라디오 관측은 2019년 2월 16일 및 25일에 호주 캔버라에 위치한 나사의 심우주망(NASA's Deep Space Network, DSN) 34m 안테나를 사용하여 8.3 및 31.9 GHz 에서 동시에 수행되었다.
• 다양한 에너지 대역(1–2, 2–3, ..., 5–10 keV)에서 펄스 프로파일을 정현파 피팅을 통해 분석하여 각 대역 간 상대적 위상 이동을 측정하였다.
• 배경 보정된 RMS 값들을 에너지 대역 전체에 걸쳐 사용하여 X선 펄스 분율을 계산하여 조절 깊이를 정량화하였다.
• 분산 해제된 데이터에서 라디오 동적 스펙트럼 및 스토크스 I 통합 펄스 프로파일을 생성하여 스펙트럼 및 시간적 구조를 연구하였다.
• 정확한 펄스 폴딩과 위상 정렬을 가능하게 하기 위해 MJD 58530.8 및 MJD 58539.8 에서 8.3 GHz 관측에 대해 위상 일관성 있는 타이밍 솔루션을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XTE J1810–197 로부터 탐지된 뚜렷하고 지속적인 X선 펄스는 거대 플레어와 관련이 있는가, 아니면 침체 상태에서 별개의 발광 메커니즘에 의한 것인가?
• RQ2 동일한 자전 위상에서 X선 및 라디오 펄스의 시간적 구조와 진폭 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 8.3 및 31.9 GHz 에서 라디오 펄스는 상호 상관관계를 보이며 광대역 방출 과정을 나타내는가?
• RQ4 8.3 및 31.9 GHz 간 스펙트럼 지수는 이전 측정치와 어떻게 비교되며, 이는 방출 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 라디오 펄스에 주파수 구조가 존재하는가, 그리고 관측 주파수에 따라 변화하는가?

주요 결과

• XTE J1810–197 로부터의 X선 펄스는 지속적이며 폭발 상태 외부에서 탐지되었으며, 5–10 keV 대역에서 펄스 분율이 0.298 ± 0.009 로 나타나 강한 조절을 보임을 시사한다.
• 다른 에너지 대역 간 X선 펄스 프로파일의 상대적 위상 이동은 작으며, (4–5)/(5–10) keV 대역에서 –0.025 ± 0.003 의 이동이 관측되어 부드러운 X선 대역에서 일관된 방출을 시사한다.
• X선과 라디오 펄스의 진폭 또는 시간적 구조 간 유의미한 상관관계는 발견되지 않아, 두 방출 메커니즘이 독립적임을 시사한다.
• 8.3 GHz 라디오 펄스는 31.9 GHz 에서는 관측되지 않는 주파수 구조를 보이며, 많은 펄스가 양 주파수에서 동시에 탐지되지 않아 광대역 방출이 아님을 시사한다.
• 8.3 및 31.9 GHz 간 라디오 스펙트럼 지수는 –0.2 ± 0.2 로 평탄한 스펙트럼과 일치하며, 평균 복사 밀도는 8.3 GHz 에서 4.6 ± 0.9 mJy, 31.9 GHz 에서 3.7 ± 0.7 mJy 이다.
• 라디오 펄스 특성은 특히 좁고 밝고 스펙트럼적으로 구조화된 성격에서 빠른 라디오 폭발(FRBs)과 유사하여, 일부 FRB가 활성 망원경자기성자에서 기인할 수 있다는 가설을 지지한다.