[논문 리뷰] Multi-wavelength observations of the binary system PSR B1259-63/LS 2883 around the 2010-2011 periastron passage

M. Chernyakova, A. A. Abdo외 15명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 52인용 수 68

한 줄 요약

이 연구는 2010–2011년 페리아스트론 통과 기간 동안 PSR B1259−63/LS 2883 이진계의 다파장 관측을 제시하며, 페리아스트론 이후 약 30일 경과 시 GeV γ선 플레어가 발생했음을 밝혀내었고, 이 플레어는 라디오, X선, 또는 테바론 대역에서 명백한 대응체가 없었다. 플레어는 Be 항성의 원환성 디스크에서 발생한 교란으로 인해 유도된 것으로 추정되며, Hα 및 Brγ 선의 등가폭 감소를 통해 이를 확인할 수 있었고, 이는 디스크 붕괴와 고에너지 방출 사이의 물리적 연결 고리를 시사한다.

ABSTRACT

We report on broad multi-wavelength observations of the 2010-2011 periastron passage of the gamma-ray loud binary system PSR B1259-63. High resolution interferometric radio observations establish extended radio emission trailing the position of the pulsar. Observations with the Fermi Gamma-ray Space Telescope reveal GeV gamma-ray flaring activity of the system, reaching the spin-down luminosity of the pulsar, around 30 days after periastron. There are no clear signatures of variability at radio, X-ray and TeV energies at the time of the GeV flare. Variability around periastron in the H$\alpha$ emission line, can be interpreted as the gravitational interaction between the pulsar and the circumstellar disk. The equivalent width of the H$\alpha$ grows from a few days before periastron until a few days later, and decreases again between 18 and 46 days after periastron. In near infrared we observe the similar decrease of the equivalent width of Br$\gamma$ line between the 40th and 117th day after the periastron. For the idealized disk, the variability of the H$\alpha$ line represents the variability of the mass and size of the disk. We discuss possible physical relations between the state of the disk and GeV emission under assumption that GeV flare is directly related to the decrease of the disk size.

연구 동기 및 목표

• 2010–2011년 페리아스트론 통과 기간 동안 PSR B1259−63의 다파장 행동, 특히 고에너지 γ선 플레어를 조사하기 위해.
• 관측된 GeV γ선 플레어가 라디오, X선, 또는 테바론 대역에서 대응체를 가지는지 확인하기 위해.
• 광학 및 적외선 스펙트로스코피를 통해 Be 항성의 원환성 디스크 상태를 분석하여 고에너지 방출에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고해상도 간섭계를 활용하여 펄서와 확장된 라디오 방출 간의 공간적 관계를 규명하기 위해.
• 특히 플레어 발생 시점에 동시 다중 대역 데이터가 부족한 상황에서, 디스크 상태 변화와 GeV 플레어 시기 간의 물리적 연결 고리를 탐색하기 위해.

제안 방법

• Fermi-LAT를 이용한 GeV γ선, INTEGRAL를 이용한 딱딱한 X선, 호주 장기 간섭계를 활용한 라디오 간섭계 관측을 통한 광역 다파장 관측을 수행하였다.
• 교정 불확실성을 제거하기 위해 고해상도 라디오 간섭계 영상 기법을 사용하여 펄서의 위치를 확장된 라디오 방출에 대해 측정하였다.
• Hα 및 He I λ6678 스펙트럼을 분석하고, 근적외선 스펙트럼(Brγ)을 이용하여 페리아스트론 시점에 비해 등가폭 변화를 시간에 따라 추적하였다.
• 라디오, X선, γ선 대역의 광선 곡선을 비교하여 변동성 패tern과 GeV 플레어와의 잠재적 상관관계를 규명하였다.
• 펄서와 Be 항성 디스크 간의 중력 상호작용을 가정하여 디스크 크기 및 질량 변화가 방출 변화와 연결된다는 모델을 수립하였다.
• 시간 해상도 스펙트럼 분석을 통해 X선 및 라디오 플럭투에이션을 평가하고, 플레어 이전 또는 이후 이상 징후를 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페리아스트론 이후 약 30일 경과 시 관측된 GeV γ선 플레어가 라디오, X선, 또는 테바론 대역에서 감지 가능한 대응체를 가지는가?
• RQ2 Hα 및 Brγ 선의 등가폭 변화를 통해 유추되는 바에 비추어, 펄서의 밀접한 통과 기간 동안 Be 항성 LS 2883의 원환성 디스크는 어떻게 진화하는가?
• RQ3 관측된 Hα 및 Brγ 등가폭 감소와 GeV 플레어 시기 사이에 물리적 연결 고리가 존재하는가?
• RQ4 확장된 라디오 방출의 공간적 형태는 펄서에 비해 어떻게 되어 있으며, 이는 코메티컬 테일 형태를 지지하는가?
• RQ5 관측된 X선 및 라디오 광선 곡선은 안정된 방출 메커니즘으로 설명될 수 있는가, 아니면 GeV 플레어와 관련된 미세한 비정상성이 존재하는가?

주요 결과

• 페리아스트론 이후 약 30일 경과 시 강력한 GeV γ선 플레어가 발생하였으며, 이는 펄서의 스핀다운 에너지 수준과 유사한 빛의 강도를 보였고, 라디오, X선, 또는 테바론 대역에서 명백한 대응체는 없었다.
• 확장된 라디오 방출은 AU 척도에서 영상화되었으며, 펄서 뒤를 따라 뻗은 코메티컬 테일 형태를 보였고, 몇 십 AU의 투영 거리에서 최대 방출이 관측되었다.
• Hα 선의 등가폭은 페리아스트론 이전 및 이후에 증가하여 가장 가까운 접근 시점에 최고치를 보였고, 이후 18–46일 간 감소하여 디스크 붕괴를 시사하였다.
• Brγ 선의 등가폭은 페리아스트론 이후 40일에서 117일 사이에 감소하였으며, Hα 경향과 일치하여 디스크 상태 변화를 뒷받침하였다.
• 라디오 및 X선 광선 곡선은 이전 페리아스트론 통과 기간과 정성적으로 유사했고, X선 방출은 페리아스트론 20–30일 전에 증가하여 통과 후에 최고치를 보였지만, 플레어 발생 시점에 명백한 비정상성은 관측되지 않았다.
• 단일 데이터 세트 내에서 펄서와 확장된 라디오 방출 위치를 동시에 측정한 결과, 소스가 약 100 AU 크기의 확장된 라디오 영역 내에 위치해 있음을 확인하였고, 이는 이전의 교정 불확실성을 해결하였다.