[논문 리뷰] Glitches in four gamma-ray pulsars and inferences on the neutron star structure

Erbil Gügercinoğlu, M. Y. Ge외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 126인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 4개의 감마선 펄서(Vela, J1023−5746, J2111+4606, J2229+6114)에 대한 10년에 걸친 Fermi-LAT 분석을 통해 타이밍 해법과 바이러스 크리프 모델을 사용하여 총 20개의 급격한 변화를 규명하였으며, 이 중 11개는 새로 발견된 것이다. 연구 결과, 급격한 변화 활동이 자전 감속률에 비례하며, 특히 PSR J1023−5746가 가장 활발한 활동을 보였으며, 초유체 영역의 관성 모멘트와 결합 시간 상수와 같은 핵심 중성별 내부 구조 파rameters를 유도하였다. 또한 급격한 변화 보정 후 PSR J2229+6114의 브레이킹 인덱스 n=2.63(30)를 측정하였다.

ABSTRACT

We present timing solutions from the Fermi-LAT observations of gamma-ray pulsars PSR J0835$-$4510 (Vela), PSR J1023$-$5746, PSR J2111$+$4606, and PSR J2229$+$6114. Data ranges for each pulsar extend over a decade. From data analysis we have identified a total of 20 glitches, 11 of which are new discoveries. Among them, 15 glitches are large ones with $\Delta u/ u\gtrsim10^{-6}$. PSR J1023$-$5746 is the most active pulsar with glitch activity parameter being $A_{ m g}=14.5 imes10^{-7}$\yr~in the considered data span and should be a target for frequently glitching Vela-like pulsars in future observations. We have done fits within the framework of the vortex creep model for 16 glitches with $\Delta u/ u\gtrsim10^{-7}$. By theoretical analysis of these glitches we are able to obtain important information on the structure of neutron star, including moments of inertia of the superfluid regions participated in glitches and coupling time-scales between various stellar components. The theoretical prediction for the time to the next glitch from the parameters of the previous one is found to be in qualitative agreement with the observed inter-glitch time-scales for the considered sample. Recoupling time-scales of the crustal superfluid are within the range of theoretical expectations and scale inversely with the spin-down rate of a pulsar. We also determined a braking index n=2.63(30) for PSR J2229$+$6114 after glitch induced contributions have been removed.

연구 동기 및 목표

• 논문은 감마선 펄서에서의 급격한 변화 관측을 통해 중성별 내부 구조를 이해하는 것을 목적으로 한다.
• 급격한 변화 특성과 중성별 역학 및 초유체 결합 간의 관계를 조사한다.
• 급격한 변화에 참여하는 초유체 영역의 관성 모멘트와 결합 시간 상수를 규명하고자 한다.
• 급격한 변화 복구 이론 모델을 검증하고 초유체성이 중성별 자전 감속에 미치는 역할을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 저자들은 10년 이상에 걸친 Fermi-LAT 데이터를 사용하여 4개의 감마선 펄서에 대해 고정밀 타이밍 해법을 도출한다.
• 자전 주파수와 자전 감속률의 전기적 모델에서의 이격을 분석하여 급격한 변화를 식별한다.
• 바이러스 크리프 모델을 적용하여 ∆ν/ν ≳10−7인 16개의 큰 급격한 변화에 적합시키며, 지수적 복구 및 지연된 반응 성분을 포함한다.
• 급격한 변화 이후 타이밍 잔차는 주파수 점프, 자전 감속률 변화, 복구 시간 상수를 포함하는 경험적 방정식으로 모델링한다.
• 급격한 변화 기여를 제거한 후 PSR J2229+6114의 브레이킹 인덱스를 유도한다.
• 통계적 피팅과 오차 전파를 사용하여 결합 시간 상수와 관성 모멘트와 같은 유도된 파rameter의 불확도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감마선 펄서에서의 급격한 변화 특성은 중성별 내부 구조와 초유체 역학과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 초유체 영역과 지각/핵의 간의 결합 시간 상수는 무엇이며, 자전 감속률에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 바이러스 크리프 모델은 이 펄서들의 급격한 변화 복구를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ4 급격한 변화 기여를 제거한 후 PSR J2229+6114의 브레이킹 인덱스는 무엇이며, 자전 감속 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 급격한 변화의 재발 주기와 크기는 펄서의 자전 감속률에 따라 어떻게 척도화되는가?

주요 결과

• 총 20개의 급격한 변화가 4개의 감마선 펄서에서 확인되었으며, 이 중 11개는 새로 발견된 것이다.
• PSR J1023−5746는 가장 높은 급격한 변화 활동을 보이며, 활동 파라미터 Ag = 14.5 × 10−7 yr−1이다.
• 15개의 급격한 변화가 크며, ∆ν/ν ≳10−6로 나타나 상당한 각운동량 이행을 의미한다.
• 바이러스 크리프 모델은 16개의 큰 급격한 변화에 성공적으로 적합되었으며, 자전 감속률에 반비례하는 결합 시간 상수가 이론적 기대와 일치한다.
• 여러 펄서에 대해 급격한 변화에 참여하는 초유체 영역의 관성 모멘트가 제약 조건이 설정되었다.
• 급격한 변화 기여를 제거한 후 PSR J2229+6114의 브레이킹 인덱스 n = 2.63(30)를 측정하였으며, 이는 비다이폴라 자전 감속 메커니즘을 시사한다.