[논문 리뷰] PSR J0952-0607: The Fastest and Heaviest Known Galactic Neutron Star

Roger W. Romani, D. Kandel외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 킬레스 망원경의 스펙트로포토메트리 및 반경 속도 측정을 통해 음영을 입은 연성성 별을 관측함으로써, 은하수 내에서 가장 빠르게 자전하고 가장 무거운 중성자성별로 알려진 PSR J0952-0607의 첫 번째 정밀 질량 측정을 제시한다. 분석 결과 중성자성별 질량은 $2.35 \pm 0.17\,M_\odot$로 도출되었으며, 이는 지금까지 측정된 바 중 가장 높은 정밀 질량이며, 1σ 신뢰수준에서 최대 중성자성별 질량의 하한값 $M_{\rm max} > 2.19\,M_\odot$를 암시하여 고밀도 물질 상태방정식을 상당히 좁혀낸다.

ABSTRACT

We describe Keck-telescope spectrophotometry and imaging of the companion of the ``black widow" pulsar PSR~J0952$-$0607, the fastest known spinning neutron star (NS) in the disk of the Milky Way. The companion is very faint at minimum brightness, presenting observational challenges, but we have measured multicolor light curves and obtained radial velocities over the illuminated ``day" half of the orbit. The model fits indicate system inclination $i=59.8\pm 1.9^\circ$ and a pulsar mass $M_{NS} = 2.35\pm 0.17 M_\odot$, the largest well-measured mass found to date. Modeling uncertainties are small, since the heating is not extreme; the companion lies well within its Roche lobe and a simple direct-heating model provides the best fit. If the NS started at a typical pulsar birth mass, nearly $1 M_\odot$ has been accreted; this may be connected with the especially low intrinsic dipole surface field, estimated at $6 imes 10^7$G. Joined with reanalysis of other black widow and redback pulsars, we find that the minimum value for the maximum NS mass is $M_{ m max} > 2.19 M_\odot$$(2.09 M_\odot)$ at $1σ$$(3σ)$ confidence. This is $\sim 0.15 M_\odot$ heavier than the lower limit on $M_{ m max}$ implied by the white-dwarf--pulsar binaries measured via radio Shapiro-delay techniques.

연구 동기 및 목표

• 은하수 내에서 가장 빠르게 자전하는 중성자성별인 PSR J0952-0607의 질량을, 그가 비치는 연성성성별의 광학 관측을 통해 측정한다.
• J0952의 극도로 빠른 자전과 낮은 자기장이 그의 진화 역사 동안 상당한 질량 순환과 관련이 있는지 여쭤본다.
• J0952의 질량과 다른 스파이더 펄서들을 이용하여 최대 중성자성별 질량를 제약하고 고밀도 물질 상태방정식을 시험한다.
• 이중성계에서의 질량 순환의 역할, 특히 낮은 내재된 드롭계 필드를 가진 시스템에서 중성자성별 자기장을 감소시키는 데서의 기여를 평가한다.

제안 방법

• 다양한 궤도 위상에서 연성성별의 다색 광도곡선과 반경 속도를 확보하기 위해 킬레스 망원경의 LRIS 영상 및 분광법을 사용하였다.
• 연성성별이 자신의 로치 로브 내에 있고, 펄서의 복사에 의한 가열만을 받는다고 가정하여 관측된 복사 강도 변화에 직접가열 모델을 적용하였다.
• 광도곡선 모델링을 통해 시스템 기울기를 제약하였으며, $i = 59.8 \pm 1.9^\circ$를 도출하였으며, 이는 반경 속도 곡선으로부터의 질량 결정에 필수적이다.
• 원형 궤도와 케플러 운동을 가정하여 궤도 해법과 기울기를 사용하여 중성자성별 질량을 유도하였다.
• 관측된 거대한 중성자성별 샘플에서 최대 중성자성별 질량의 최소값($M_{\rm max}$)을 추정하기 위해 가능도 기반 통계 모델을 사용하였다.
• 스파이더 펄서의 질량 측정치에 대해 편향 보정 및 가속화된 부트스트랩 분석을 적용하여 $M_{\rm max}$의 신뢰구간을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 내에서 가장 빠르게 자전하는 중성자성별인 PSR J0952-0607의 정밀 질량은 얼마인가요?
• RQ2 PSR J0952에 얼마나 많은 질량이 순환되었으며, 이는 $6 \times 10^7$ G의 극도로 낮은 내재 자기장과 일치합니까?
• RQ3 스파이더 펄서 샘플(포함 J0952 포함)을 기반으로 최대 중성자성별 질량의 하한값은 무엇입니까?
• RQ4 스파이더 이중성계 내 중성자성별의 질량은 백색왜성-중성자성별 이중성계의 중성자성별 질량과 어떻게 비교되며, 이는 고밀도 물질 상태방정식에 어떤 함의를 갖습니까?
• RQ5 높은 질량 순환, 낮은 자기장, 높은 중성자성별 질량 간의 인과관계가 밀리초 펄서 시스템에서 존재합니까?

주요 결과

• PSR J0952-0607의 중성자성별 질량은 $2.35 \pm 0.17\,M_\odot$로 측정되었으며, 지금까지 측정된 바 중 가장 정밀한 질량이다.
• 시스템 기울기는 $59.8 \pm 1.9^\circ$로 결정되었으며, 이는 반경 속도 곡선으로부터의 정확한 질량 결정에 필수적이다.
• 분석 결과 1σ 수준에서 최대 중성자성별 질량의 하한값이 $M_{\rm max} > 2.19\,M_\odot$임을 암시하며, 3σ 기준 하한값은 $>2.09\,M_\odot$이다. 이는 이전 샤프로우 지연 측정치에 비해 상당히 높다.
• J0952를 포함시키면 다른 스파이더 펄서들만을 고려했을 때보다 $1\sigma$ 하한값이 약 $0.13\,M_\odot$ 높아진다.
• 데이터는 반사나 재처리의 복잡성이 최소한인 단순한 직접가열 모델을 선호하며, 이는 모델링 불확실성을 감소시킨다.
• 결과는 J0952에 적어도 $0.5\,M_\odot$ 이상, 아마도 $\sim 1\,M_\odot$의 질량이 순환되었음을 암시하며, 이는 낮은 내재 자기장과 높은 질량과 일치한다.