[논문 리뷰] Optical studies of companions to millisecond pulsars

M. H. van Kerkwijk, C. Bassa외 2명|arXiv (Cornell University)|2004. 05. 14.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 밀리초 펄서의 백색왜성 연성체의 광학적 성질을 조사하여 이진진화와 펄서 연령을 제약한다. 광학 스펙트로스코피와 냉각 모델을 조합하여 PSR B0820+02의 냉각 연령이 그 특성적인 자전 감속 연령보다 긴 것으로 밝혀졌으며, 이는 감속수 3 이하임을 시사한다. 또한 냉각 연령을 사용하여 NGC 6752의 PSR J1911−5958A의 형성 시나리오를 시험하였고, 천체역학적 교환을 통한 젊은 기원을 제안한다.

ABSTRACT

Optical observations of the companions of pulsars can help determine the properties of the binaries, as well as those of their components, and give clues to the preceding evolution. In this review, we first describe the different classes of binary pulsars, and present a table with a summary what is known about their optical counterparts. Next, we focus on the class of pulsars that have low-mass, helium-core white dwarf companions. We discuss attempts to determine the masses of both components using optical spectroscopy, and compare the pulsar spin-down ages with cooling ages of the white dwarfs. We confirm that for a given age, the lowest-mass white dwarfs are much hotter than the more massive ones, consistent with recent evolutionary models, although with one glaring exception. We discuss the case of PSR B0820+02, where the cooling age indicates a braking index less than 3, and conclude by describing how cooling ages can be used to test formation scenarios for PSR J1911-5958A, a pulsar binary in the outskirts of NGC 6752.

연구 동기 및 목표

• 광학 스펙트로스코피를 사용하여 밀리초 펄서의 저질량 백색왜성 연성체의 질량과 진화 역사를 규명하는 것.
• 펄서의 자전 감속 연령과 백색왜성의 냉각 연령을 비교하여 감속 법칙과 진화 모델의 일관성을 시험하는 것.
• 냉각 연령 추정치를 사용하여 병렬적으로 형성된 이진 펄서와 천체역학적 교환 사건의 형성 시나리오를 구분하는 것.
• 예측된 온도와 질량과의 비교를 통해 백색왜성 냉각 모델의 신뢰성을 평가하는 것.

제안 방법

• 표면 온도와 표면 중력도를 측정하기 위해 백색왜성 연성체의 광학 스펙트로스코피를 수행하는 것.
• 관측된 온도와 질량에서 냉각 연령를 유도하기 위해 백색왜성 냉각 모델을 사용하는 것.
• 펄서의 자전 감속 연령(τ_c = P / (2Ṗ))과 냉각 연령를 비교하여 감속수 n을 추론하는 것.
• 질량-반지름 관계와 광도-온도-거리 측정치를 사용하여 백색왜성 질량을 독립적으로 제약하는 것.
• 기록된 HST 및 ESO 영상 자료를 활용하여 PSR J1911−5958A의 광학 대응체를 식별하고 특성화하는 것.
• 궤도 매개변수와 연성체 질량의 통계적 분석을 통해 이진 펄서의 진화 모델을 시험하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR B0820+02의 냉각 연령이 자전 감속 연령을 초과함을 감안할 때, 그 감속수는 자석 듀플레 감속과 일치하는가?
• RQ2 펄서의 특성 연령와 백색왜성의 냉각 연령 사이의 괴리 문제는 감속수 조정을 통해 해결될 수 있는가?
• RQ3 PSR J1911−5958A의 백색왜성의 젊은 냉각 연령는 NGC 6752 내에서의 형성 메커니즘에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 관측된 백색왜성 온도와 질량는 저질량 이진 펄서에 대한 진화 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 냉각 연령는 구상성단에서의 초기 형성된 이진계와 천체역학적 교환 사건을 구분하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• PSR B0820+02의 백색왜성 연성체의 냉각 연령는 221 ± 11 Myr이며, 이는 그 특성적인 자전 감속 연령인 130 Myr보다 현저히 긴 것으로 나타났다.
• 이 괴리로 인해 감속수가 약 2.2로 추정되며, 이는 오랜 기간 동안의 표준 자석 듀플레 감속에서의 이탈을 시사한다.
• PSR J1911−5958A의 백색왜성 연성체는 약 ~11,000 K의 온도와 약 ~0.2 M☉의 질량를 가지며, 이는 약 1 Gyr의 젊은 나이를 시사한다.
• PSR J1911−5958A의 백색왜성의 젊은 냉각 연령는 NGC 6752 내에서 최근의 천체역학적 교환 상호작용을 통한 형성을 지지한다.
• PSR B0820+02의 백색왜성 대기 중 수소의 부재는 헬륨이 풍부하거나 CO핵을 가진 조성임을 시사하며, 저질량 백색왜성 진화와 일치한다.
• 냉각 모델은 관측 결과와 양호한 일치를 보이며, 이진 펄서 시스템 내 백색왜성의 신뢰할 수 있는 연령 추정이 가능함을 보여준다.