[논문 리뷰] On the nature of some SGRs and AXPs as rotation-powered neutron stars

Jaziel G. Coelho, D. L. Cáceres외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 06.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 보편적인 중성자별 파arameter 대신 현실적인 중성자별 파arameter를 사용할 경우, 구연성 감마선 반복자(SGRs) 9개와 이상한 X선 펄서(AXPs)가 자전으로 구동되는 중성자별로 설명될 수 있다고 제안한다. 일반 상대론적 모델을 통해 질량, 반지름, 관성모멘트, 자전 에너지 손실을 계산한 결과, 이들 천체의 소프트 X선 대역(2–10 keV)에서 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $임을 보여주며, 이는 자전으로 구동되는 성질을 지지하지만, 세 개의 천체에서 관측된 딱딱한 X선 방출은 이 해석을 어렵게 한다.

ABSTRACT

We investigate the possibility that some SGRs/AXPs could be canonical rotation-powered pulsars using realistic NS structure parameters instead of fiducial values. We show that realistic NS parameters lowers the estimated value of the magnetic field and radiation efficiency, $L_X/\dot{E}_{ m rot}$, with respect to estimates based on fiducial NS parameters. We show that nine SGRs/AXPs can be described as canonical pulsars driven by the NS rotational energy, for $L_X$ computed in the soft (2--10~keV) X-ray band. We compute the range of NS masses for which $L_X/\dot{E}_{ m rot}&lt;1$. We discuss the observed hard X-ray emission in three sources of the group of nine potentially rotation-powered NSs. This additional hard X-ray component dominates over the soft one leading to $L_X/\dot{E}_{ m rot}&gt;1$ in two of them. We show that 9 SGRs/AXPs can be rotation-powered NSs if we analyze their X-ray luminosity in the soft 2--10~keV band. Interestingly, four of them show radio emission and six have been associated with supernova remnants (including Swift J1834.9-0846 the first SGR observed with a surrounding wind nebula). These observations give additional support to our results of a natural explanation of these sources in terms of ordinary pulsars. Including the hard X-ray emission observed in three sources of the group of potential rotation-powered NSs, this number of sources with $L_X/\dot{E}_{ m rot}&lt;1$ becomes seven. It remains open to verification 1) the accuracy of the estimated distances and 2) the possible contribution of the associated supernova remnants to the hard X-ray emission.

연구 동기 및 목표

• 보편적인 값 대신 현실적인 중성자별 파aram터를 사용하여 일부 SGRs와 AXPs가 자전으로 구동되는 중성자별로 설명될 수 있는지 재평가하는 것.
• 축대칭 중성자별의 일반 상대론적 모델을 사용하여 전체 범위의 자전 에너지 손실 $ \dot{E}_{\rm rot} $ 를 계산하는 것.
• 관측된 X선 빛의 세기 $ L_X $ 가 자전 에너지 손실에 의해 설명될 수 있는지 평가하는 것, 즉 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $ 여부를 확인하는 것.
• 딱딱한 X선 방출(20–150 keV)이 일부 천체에 대해 자전으로 구동되는 해석을 도전하는 방식을 조사하는 것.
• 자전으로 구동되는 모델을 지지하는 관측 증거(예: 전파 방출, 초신성 잔해 연관성)를 탐색하는 것.

제안 방법

• 축대칭 일반 상대론적 평형 방정식의 수치적 통합을 통해 중성자별 질량, 반지름, 관성모멘트, 각운동량을 계산하는 것.
• 관측된 $ P $ 와 $ \dot{P} $ 를 사용하여 $ \dot{E}_{\rm rot} = -4\pi^2 I \dot{P}/P^3 $ 를 계산하는 것. 여기서 $ I $ 는 현실적인 중성자별 구조에서 유도된다.
• 일반 상대론적로 회전하는 자석 쌍극자 모델을 사용하여 표면 자기장 강도를 추정하는 것.
• 2–10 keV 대역에서의 $ L_X $ 와 $ \dot{E}_{\rm rot} $ 를 비교하여 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $ 여부를 판단함으로써 자전으로 구동되는 성질을 확인하는 것.
• 세 개의 천체에서 딱딱한 X선 방출 빛의 세기(20–150 keV)를 포함하여 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} $ 비율에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 그리드러프 발생 시 유도된 자전 에너지 증가량 $ \Delta E_{\rm rot} $ 의 하한선을 계산하여 관측된 폭발 에너지가 이를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보편적인 중성자별 파aram터 대신 현실적인 중성자별 파aram터를 사용할 경우, SGRs와 AXPs가 자전으로 구동되는 중성자별로 설명될 수 있는가?
• RQ2 자전 에너지가 X선 방출을 공급할 수 있음을 나타내는 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $ 가 성립하는 중성자별 질량의 범위는 무엇인가?
• RQ3 선택된 천체에서 딱딱한 X선 방출(20–150 keV)은 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} $ 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 폭발의 에너지가 그릭스 발생 동안 자전 에너지 증가로 설명될 수 있는가?
• RQ5 관측 증거(예: 전파 방출, 초신성 잔해 연관성)로 자전으로 구동되는 해석을 지지하는가?

주요 결과

• 소프트 X선 대역(2–10 keV)에서 $ L_X $ 를 계산할 경우, SGRs 9개와 AXPs 9개가 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $ 를 만족하며, 이는 자전으로 구동되는 중성자별로 분류되는 것을 지지한다.
• 딱딱한 X선 방출(20–150 keV)을 포함하면, SGR 1900+14에서 $ L_X $ 는 최대 5배로 증가하고 SGR 1806–20에서는 4배로 증가하여 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} > 1 $ 가 되며, 이 두 천체에 대해 자전으로 구동되는 해석이 도전받는다.
• 잠재적인 자전으로 구동되는 그룹에 속한 세 개의 천체(SGR J1745–2900, 1E 1547.0–5408, SGR 0501+4516) 중에서 딱딱한 X선 방출을 고려할 경우, 오직 1E 1547.0–5408만이 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $ 에서 유지된다.
• 이들 아홉 천체의 관측 폭발 에너지가 그릭스 발생 동안 자전 에너지 증가로 설명될 수 있으며, 물리적으로 타당한 $ |\Delta P|/P $ 값이 하한선으로 계산되었다.
• 아홉 자전으로 구동되는 후보자 중 네 명이 전파 방출을 보이며, 이는 일반 펄서의 특징이므로 자전으로 구동되는 모델을 추가로 지지한다.
• 아홉 천체 중 여섯 명이 초신성 잔해와 연관되어 있으며, 이는 중성자별 성질과 자전으로 구동되는 기원과 일치하여 이를 더욱 뒷받침한다.