[논문 리뷰] On Fossil Disk Models of Anomalous X-Ray Pulsars

G. J. Francischelli, R. A. M. J. Wijers|arXiv (Cornell University)|2002. 05. 14.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비정상적 X선 펄서(AXPs)를 설명하기 위한 자석자기모형(magnetar model)의 대안으로서의 고생물 디스크 모형(fossil disk models)을 비판적으로 평가한다. 고생물 디스크 모형은 심각한 모순을 겪는다: Kramers의 투과도 법칙은 높은 자기장(>10^12 G)을 요구하며, 필요한 프로펠러 토크는 관측적으로 납득할 수 없으며, 특히 SMC X-1과 같은 HMXB 시스템에 적용했을 때 더욱 그렇다. 이러한 결과들은 고생물 디스크 시나리오보다 자석자기모형을 더 강력히 지지한다.

ABSTRACT

Currently, two competing models are invoked in order to explain the observable properties of Anomalous X-ray Pulsars (AXPs). One model assumes that AXP emission is powered by a strongly magnetized neutron star - i.e., a magnetar. Other groups have postulated that the unusually long spin periods associated with AXPs could, instead, be due to accretion. As there are severe observational constraints on any binary accretion model, fossil disk models have been suggested as a plausible alternative. Here we analyze fossil disk models of AXPs in some detail, and point out some of their inherent inconsistencies. For example, we find that, unless it has an exceptionally high magnetic field strength, a neutron star in a fossil disk cannot be observed as an AXP if the disk opacity is dominated by Kramers' law. However, standard alpha-disk models show that a Kramers opacity must dominate for the case log B > 12, making it unlikely that a fossil disk scenario can successfully produce AXPs. Additionally, we find that in order to sufficiently spin down a neutron star in a fossil disk, an unusually efficient propeller torque must be used. Such torques are inconsistent with observations of other accreting sytems - particularly High Mass X-ray Binaries. Thus, our analysis lends credence to the magnetar model of AXPs.

연구 동기 및 목표

• 비정상적 X선 펄서(AXPs)의 관측된 성질을 설명하는 데 있어 고생물 디스크 모형의 타당성을 평가하기 위해.
• 초강력 자기장이 필요 없이도 고생물 디스크가 장수기 회전 주기와 X선 복사원을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 고생물 디스크 모형에서 가정된 프로펠러 토크 메커니즘의 물리적 타당성을 시험하기 위해.
• 특히 HMXB 시스템을 포함한 알려진 X선 이중성계의 관측 제약 조건과 고생물 디스크 예측을 비교하기 위해.
• 디스크 복사 또는 광학 대응체가 고생물 디스크 모형과 자석자기모형을 구별할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준 알파-디스크 모형에서 지배적인 Kramers의 투과도 법칙을 가정하여 고생물 디스크 모형을 분석한다.
• 중성자별에 대해 CHN(Chatterjee, Hernquist, Narayan) 프로펠러 토크 모형을 적용하여 그 효율성과 관측 결과와의 일관성을 평가한다.
• SMC X-1의 관측된 자전 주기와 비교하여 CHN 프로펠러 토크 모형이 예측하는 자전 주기 변화를 시험한다.
• 관측된 X선 및 광학 복사율 비율을 만족시키기 위해 필요한 디스크 성질(크기, 복사원 등)을 평가한다. 특히 4U 0142+61의 후보 대응체에 대해.
• 이론적 디스크 복사 예측(예: Perna, Hernquist, & Narayan 2000)을 실제 복사율 비율과 비교하여 모형의 타당성을 평가한다.
• 다프러 모드 없음, 부드러운 X선 스펙트럼, 초신성 잔해물 연관성 등의 관측 제약 조건을 활용하여 모형의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 Kramers의 투과도 법칙을 가진 고생물 디스크 모형이 과도하게 높은 자기장을 요구하지 않고도 관측 가능한 AXPs를 생성할 수 있는가?
• RQ2 SMC X-1와 같은 알려진 HMXB에 적용했을 때 CHN 프로펠러 토크 메커니즘이 물리적으로 납득 가능한가?
• RQ3 고생물 디스크 모형에서 예측하는 광학 대비 X선 복사율 비율이 4U 0142+61의 후보 대응체에서 관측된 비율과 일치하는가?
• RQ4 고생물 디스크 모형이 이중성계의 물질 공급 없이도 AXPs의 지속적인 감속과 부드러운 X선 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ5 고생물 디스크 예측과 AXPs에서 검출되지 않는 광학 대응체 또는 다프러 모드의 부재 사이에 관측적 모순이 존재하는가?

주요 결과

• Kramers의 투과도 법칙을 가진 고생물 디스크 모형은 타당하기 위해 자기장이 log B ≳ 12 이상이어야 하며, 이는 이러한 모형에서 저자기장 중성자별을 가정하는 것과 모순된다.
• CHN 프로펠러 토크 모형은 SMC X-1의 자전 주기를 관측값과 최대 두 자리수 차이로 예측하여, 이 토크가 물리적으로 현실적이지 않다는 것을 시사한다.
• 4U 0142+61의 후보 대응체에서 관측된 광학 복사율 비율 L_opt/L_X ≈ 10^-3은 고생물 디스크 모형에서 예측하는 것보다 약 10배 낮으며, 이는 복사 메커니즘에 의문을 제기한다.
• AXPs에서 다프러 모드의 부재와 자전 속도 변화 주기의 부재는 이중성계의 물질 공급에서 예상되는 바와 어긋나며, 고생물 디스크 모형의 신뢰성을 약화시킨다.
• 고생물 디스크 모형에서 요구하는 이국적인 효율성의 프로펠러 토크는 다른 물질 공급 시스템, 특히 HMXB에서의 관측 결과와 부합하지 않는다.
• 분석 결과 고생물 디스크 모형은 근본적인 물리적 모순을 겪으며, 이는 AXPs에 대한 자석자기모형이 더 타당한 설명임을 강력히 지지한다.