[논문 리뷰] Long-Term Radio Timing Observations of the Transition Millisecond Pulsar PSR~J1023+0038

Anne M. Archibald, V. M. Kaspi외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 전이 밀리초 펄서 PSR J1023+0038의 4년간의 전파 타이밍 관측을 제시하며, 변동하는 일식, 분산 측정값 변화, 궤도 주기 조절과 같은 복잡한 행동을 규명한다. 저자들은 이러한 현상을 비가역성의 자석 활동을 가진 비가역성 동반성에서 기인하는 것으로 해석하며, 이는 이론적 진화 모델이 비자기적일 것으로 예측하는 바와 모순되며, $3.7\sigma$ 수준의 자전 주기 조절에 대한 증거를 발견하여, $\gamma$-선 방출의 펄서 기원을 지지한다.

ABSTRACT

The radio millisecond pulsar PSR J1023+0038 exhibits complex timing and eclipse behavior. Here we analyze four years' worth of radio monitoring observations of this object. We obtain a long-term timing solution, albeit with large residual timing errors as a result of apparent orbital period variations. We also observe variable eclipses when the companion passes near our line of sight, excess dispersion measure near the eclipses and at random orbital phases, and short-term disappearances of signal at random orbital phases. We interpret the eclipses as possibly due to material in the companion's magnetosphere supported by magnetic pressure, and the orbital period variations as possibly due to a gravitational quadrupole coupling mechanism. Both of these mechanisms would be the result of magnetic activity in the companion, in conflict with evolutionary models that predict it should be fully convective and hence non-magnetic. We also use our timing data to test for orbital and rotational modulation of the system's $γ$-ray emission, finding no evidence for orbital modulation and $3.7σ$ evidence for modulation at the pulsar period. The energetics of the system make it plausible that the $γ$-ray emission we observe is entirely from the millisecond pulsar itself, but it seems unlikely for these $γ$-rays to provide the irradiation of the companion, which we attribute instead to X-ray heating from a shock powered by a particle wind.

연구 동기 및 목표

• 4년간의 전파 관측을 통해 전이 밀리초 펄서 PSR J1023+0038의 장기적 타이밍 행동을 특성화하기 위해.
• 이 시스템에서 관측된 변동하는 일식, 분산 측정값 변화, 궤도 주기 변화의 기원을 조사하기 위해.
• 개선된 타이밍 해법을 사용하여 시스템의 $\gamma$-선 방출에서 궤도 및 자전 주기 조절 여부를 테스트하기 위해.
• 관측된 현상이 이중성 진화 모델, 특히 저질량, 완전히 대류 가능한 동반성의 자석 활동에 대한 영향을 평가하기 위해.
• 이 시스템이 재흡착 상태로 전환할 때 비교를 위한 세부 기준 상태를 제공하기 위해.

제안 방법

• Arecibo, Green Bank Telescope, Westerbork Synthesis Radio Telescope, 그리고 Lovell Telescope를 사용하여 장기적인 전파 타이밍 관측을 수행하였다.
• 일관된 분산 제거 및 PSRFITS 형식의 폴딩을 적용하여 다수의 관측 대역에서 고해상도 펄스 프로파일을 생성하였다.
• 명백한 궤도 주기 변화로 인해 잔류 타이밍 오차가 큰데도 불구하고 장기적 타이밍 해법을 도출하였다.
• 일식 행동을 분석하였으며, 깊이와 지속 시간의 변동성을 확인하고 궤도 위상 및 분산 측정값 변화와 연관지어 분석하였다.
• Fermi-LAT의 $\gamma$-선 광선도와 전파 타이밍 해법을 교차 상관 분석하여 궤도 및 자전 주기 조절 여부를 탐색하였다.
• 시스템의 에너지 균형을 모델링하여 $\gamma$-선 방출이 동반성을 조사할 수 있는지, 또는 충격을 동력으로 하는 바람으로 인한 X선 가열이 더 타당한지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR J1023+0038에서 관측된 변동 일식의 원인은 무엇이며, 궤도 위상과 분산 측정값 변화와의 관계는 어떻게 되는가?
• RQ2 완전히 대류적인 동반성을 가진 시스템에서 자석 활동이 예측되지 않음에도 불구하고 궤도 주기 변화가 발생하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 PSR J1023+0038의 $\gamma$-선 방출은 펄서 자전 주기 또는 궤도 주기에서 조절되고 있는가?
• RQ4 관측된 현상은 동반성의 자석 활동으로 설명될 수 있으며, 이는 표준 이중성 진화 모델과 어떻게 충돌하는가?
• RQ5 irradiated된 동반성의 주요 가열 메커니즘은 무엇인가? 펄서에서 오는 $\gamma$-선인가, 충격을 동력으로 하는 바람에서 오는 X선인가?

주요 결과

• PSR J1023+0038의 장기적 타이밍 해법은 명백한 궤도 주기 변화로 인해 큰 잔류 타이밍 오차를 보이며, 모델링되지 않은 천체역학적 효과를 시사한다.
• 일식은 깊이와 지속 시간이 변동하며, 동반성이 선의 시야에 가까이 올 때 발생하며, 초과 분산 측정값과 연관되어 있어 시스템 내 이온화된 물질이 있음을 시사한다.
• 단기적 신호 소실은 무작위 궤도 위상에서 발생하며, 자유로운 플라즈마에 의한 일시적 차폐를 나타낸다.
• 저자들은 일식이 동반성의 자기장에 의해 지지되는 물질로 인한 것으로 해석하며, 이는 완전히 대류적인 동반성에 대한 표준 모델과 충돌하는 자석 활동을 암시한다.
• 궤도 주기 변화는 중력 4중극 쌍극자 결합으로 인한 것으로 해석되며, 이 역시 동반성의 자석 활동을 시사한다.
• Fermi-LAT 데이터는 $\gamma$-선 방출이 펄서 자전 주기에서 $3.7\sigma$ 수준의 조절을 보이지만, 유의미한 궤도 조절은 없으며, 이는 $\gamma$-선이 펄서 자체에서 생성된 것으로 보다 타당하다.