[논문 리뷰] High Speed Phase-Resolved 2-d UBV Photometry of the Crab pulsar

Aaron Golden, A. Shearer외 6명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 04.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 러시아 특수 천체물리학관의 6m 망원경에 장착된 TRIFFID 장치를 사용하여 크랩 펄서의 고속, 위상 분해능 2D UBV 광도 측정을 수행하였으며, 1 μs의 시간 해상도를 확보하여 펄서 방출을 성운 배경에서 분리하였다. 주로 광도 곡선의 피크 및 브리지 성분이 높은 에너지에서 넓이와 광도가 감소하는 것으로 확인되었으며, 주요 옵티컬 피크의 평탄한 부분은 ≤55 μs 이내로 제한되었고, 거대 펄스나 60초 조절의 증거는 발견되지 않았다.

ABSTRACT

We report a phase-resolved photometric and morphological analysis of UBV data of the Crab pulsar obtained with the 2-d TRIFFID high speed optical photometer mounted on the Russian 6m telescope. By being able to accurately isolate the pulsar from the nebular background at an unprecedented temporal resolution (1 μs), the various light curve components were accurately fluxed via phase-resolved photometry. Within the $UBV$ range, our datasets are consistent with the existing trends reported elsewhere in the literature. In terms of flux and phase duration, both the peak Full Width Half Maxima and Half Width Half Maxima decrease as a function of photon energy. This is similarly the case for the flux associated with the bridge of emission. Power-law fits to the various light curve components are as follows; α= 0.07 \pm 0.19 (peak 1), α= -0.06 \pm 0.19 (peak 2) and α= -0.44 \pm 0.19 (bridge) - the uncertainty here being dominated by the integrated CCD photometry used to independently reference the TRIFFID data. Temporally, the main peaks are coincident to \le 10 μs although an accurate phase lag with respect to the radio main peak is compromised by radio timing uncertainties. The plateau on the Crab's main peak was definitively determined to be \leq 55 μs in extent and may decrease as a function of photon energy. There is no evidence for non-stochastic activity over the light curves or within various phase regions, nor is there evidence of anything akin to the giant pulses noted in the radio. Finally, there is no evidence to support the existence of a reported 60 second modulation suggested to be as a consequence of free precession.

연구 동기 및 목표

• 성운 배경에서 분리하여 크랩 펄서의 고시간 해상도, 위상 분해능 옵티컬 광도 측정을 수행하기 위해.
• 옵티컬 광도 곡선의 절대 도착 시간을 라디오 펄스에 대비하여 결정하고, 에너지 대역 간의 타이밍 지연을 평가하기 위해.
• 광도 곡선 형태의 에너지 의존성, 특히 피크 넓이와 광도를 조사하고, 비확률적 방출 특징이 존재하는지 테스트하기 위해.
• 자유 진동(precession)과 관련된 거대한 옵티컬 펄스나 장기 주기 조절(예: 60초)을 찾기 위해.
• 비열성 방출 이론 모델을 제약하기 위해 고정밀 광도 측정을 제공하기 위해.

제안 방법

• 러시아 특수 천체물리학관의 6m 망원경에 장착된 TRIFFID 2D 고속 광도계를 사용하여 동시에 UBV 대역 측정을 수행하였다.
• 개별 펄서 펄스를 해상하고 성운 배경과 구별하기 위해 1 μs의 시간 해상도를 확보하였다.
• 다수의 펄스 주기 동안 광도 곡선을 위상별로 폴딩하고, 공간적 및 시간적 필터링을 통해 성운 배경에서 펄서 광도를 분리함으로써 위상 분해능 광도 측정을 수행하였다.
• 피크 1, 피크 2, 브리지 등의 광도 곡선 성분에 대해 거듭제곱 법선적 적합을 적용하여 UBV 대역 간 스펙트럼 기울기를 결정하였다.
• 통합 CCD 광도 측정을 사용하여 TRIFFID 광도 비율을 기준화하였지만, 이 기준의 불확실성이 정밀도를 제한하였다.
• 라디오 에페머리스와 라디오 타이밍 해법을 사용하여 옵티컬, X선, 라디오 펄스 간의 상대적 타이밍 지연을 결정하기 위해 상관 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UBV 대역에서 광도 곡선 성분의 전반적 반폭(전고점 반폭, FWHM)과 광도는 광자 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 옵티컬 주요 피크의 절대 타이밍 오프셋은 라디오 주요 펄스에 비해 얼마이며, X선 및 감마선 피크와 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ3 라디오 관측에서 관찰된 바와 같이, 비확률적 방출 특징(예: 거대 펄스)이 옵티컬 대역에서 존재하는가?
• RQ4 옵티컬 광도 곡선에 평탄한 부분이 존재하는가? 만약 존재한다면 그 지속 시간은 얼마이며, 에너지에 따라 변화하는가?
• RQ5 자유 진동 모델에서 제안한 바와 같이, 옵티컬 광도 곡선에 60초 조절이 존재하는가?

주요 결과

• 두 주요 옵티컬 피크와 방출 브리지의 FWHM 및 반폭(반최고점 반폭, HWHM)은 광자 에너지가 증가함에 따라 감소하여, 에너지 의존성 있는 방출 영역을 시사한다.
• 주요 옵티컬 피크의 평탄한 부분은 명확히 ≤55 μs 이내로 제한되었으며, 높은 에너지에서 넓이가 감소할 가능성이 있는 에너지 의존성이 있을 수 있음을 시사한다.
• 광도 곡선 성분의 거듭제곱 법선 기울기는 피크 1에 대해 α = 0.07 ± 0.19, 피크 2에 대해 α = -0.06 ± 0.19, 브리지에 대해 α = -0.44 ± 0.19이며, 불확실성은 주로 기준 광도 측정에 의해 지배된다.
• 주요 옵티컬 피크는 라디오 펄스에 비해 +79.2 ± 10 μs에 도착하며, 라디오 타이밍 오차로 인해 총 불확실성은 ±60 μs이다. 이는 옵티컬이 라디오 펄스를 뒤따른다는 것을 의미한다.
• 옵티컬 대역에서 거대 펄스와 같은 비확률적 방출의 증거는 발견되지 않았으며, 자유 진동과 관련된 60초 조절의 증거도 없었다.
• 옵티컬 광도 곡선은 X선 및 감마선 주요 피크와 일치하며, X선 피크는 라디오 펄스보다 약 ~264 μs 앞서고, 옵티컬은 X선을 뒤따르며, 절대 타이밍은 라디오 에페머리스 오차로 인해 여전히 불확실하다.