[논문 리뷰] Spectral monitoring of RX J1856.5-3754 with XMM-Newton. Analysis of EPIC-pn data

N. Sartore, A. Tiengo외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 09.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 30인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 고립된 중성자별 RX J1856.5-3754에 대한 XMM-Newton EPIC-pn 데이터 10년 분석을 통해, 관측된 스펙트럼 변화가 공간적으로 의존하는 감도 응답에 기인한 기구적 효과임을 밝혀냈다. 이를 보정한 후, 2005년 이후로는 소스에 유의미한 장기 스펙트럼 또는 복사원소 변화가 없음을 확인했으며(ΔkT∞ < 0.5%, ΔfX < 3%), 이는 캘리브레이션 원천으로서의 안정성을 뒷받ány한다.

ABSTRACT

Using a large set of XMM-Newton observations we searched for long term spectral and flux variability of the isolated neutron star RX J1856.5-3754 in the time interval from April 2002 to October 2011. This is the brightest and most extensively observed source of a small group of nearby, thermally emitting isolated neutron stars, of which at least one member (RX J0720.4-3125, Hohle et al., 2010) has shown long term variability. A detailed analysis of the data obtained with the EPIC-pn camera in the 0.15-1.2 keV energy range reveals small variations in the temperature derived with a single blackbody fit (of the order of 1% around kT^inf \sim 61 eV). Such variations are correlated with the position of the source on the detector and can be ascribed to an instrumental effect, most likely a spatial dependence of the channel to energy relation. For the sampled instrumental coordinates, we quantify this effect as variations of \sim 4% and \sim 15 eV in the gain slope and offset, respectively. Selecting only a homogeneous subset of observations, with the source imaged at the same detector position, we find no evidence for spectral or flux variations of RX J1856.5-3754 from March 2005 to present-day, with limits of Delta kT^inf &lt; 0.5% and Delta f_X &lt; 3% (0.15-1.2 keV), with 3sigma confidence. A slightly higher temperature (kT^inf \sim 61.5 eV, compared to kT^\inf \sim 61 eV) was instead measured in April 2002. If this difference is not of instrumental origin, it implies a rate of variation \sim -0.15 eV yr^-1 between April 2002 and March 2005. The high-statistics spectrum from the selected observations is best fitted with the sum of two blackbody models, with temperatures kT_h^inf = 62.4_{-0.4}^{+0.6} eV and kT_s^\inf = 38.9_{-2.9}^{+4.9} eV, which account for the flux seen in the optical band. No significant spectral features are detected, with upper limits of 6 eV on their equivalent width.

연구 동기 및 목표

• XMM-Newton 관측을 통해 고립된 중성자별 RX J1856.5-3754의 장기 스펙트럼 및 복사원소 변화를 조사하기 위해.
• 관측된 스펙트럼 변화가 소스 자체의 특성에 기인한 것인지 기구적 요인에 기인한 것인지 규명하기 위해.
• 장기 X선 변동성 연구를 위한 기준선 10년 동안 EPIC-pn 기구의 안정성을 평가하기 위해.
• RX J1856.5-3754의 광역 스펙트럼(엑스선 + 옵티컬)을 설명하는 데 이중 블랙바디 모델이 적합한지 테스트하기 위해.
• 결과가 중성자별 상태방정식 제약과 캘리브레이션 기준에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 2002년 4월부터 2011년 10월까지의 77개 XMM-Newton 관측 데이터를 분석하였으며, 0.15–1.2 keV 에너지 범위 내 EPIC-pn 데이터에 집중하였다.
• 시간에 따른 온도 및 복사원소 변화를 추적하기 위해 스펙트럼을 단일 흡수된 블랙바디 모델로 피팅하였다.
• 소스가 검출기 상에서 위치하는 방식과 스펙트럼 매개변수를 상관시켜 EPIC-pn 검출기에서 공간적으로 의존하는 감도 응답을 규명하였다.
• 기구적 영향을 약 4%의 감도 기울기 변화 및 약 15 eV의 오프셋 변화로 정량화하였다.
• 기구적 시스템적 오차를 최소화하기 위해 소스가 고정된 검출기 위치에 있는 관측 데이터의 균일한 서브셋을 선별하였다.
• 고통계 스펙트럼을 이중 블랙바디 모델로 피팅하고 등가폭한도를 사용하여 스펙트럼 특징이 존재하는지 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RX J1856.5-3754에서 관측된 스펙트럼 변화는 소스 자체의 특성에 기인한 것인지 기구적 요인에 기인한 것인가?
• RQ2 10년 기준으로 RX J1856.5-3754의 X선 복사원소 및 온도는 얼마나 안정적인가?
• RQ3 이중 블랙바디 모델이 RX J1856.5-3754의 광역(엑스선 + 옵티컬) 스펙트럼을 충분히 설명할 수 있는가?
• RQ4 EPIC-pn 기구의 에너지 응답은 검출기 전반에 걸쳐 얼마나 공간적으로 변동하는가? 이는 스펙트럼 분석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 소스는 다른 XDINS인 RX J0720.4-3125와 유사하게 수년 단위의 시간스케일에서 변동성을 보이는가?

주요 결과

• RX J1856.5-3754에서 관측된 스펙트럼 변화의 주요 원인은 EPIC-pn 검출기의 공간적으로 의존하는 감도 응답이며, 소스 자체의 변동성과는 무관하다.
• 기구적 영향을 보정한 후, 2005년 3월부터 2011년까지 소스에 유의미한 장기 변동성이 없음을 확인하였으며, 3σ 신뢰수준에서 ΔkT∞ < 0.5% 및 ΔfX < 3%이다.
• 2002년 4월 관측에서 평균(약 kT∞ ~ 61 eV)보다 높은 온도(kT∞ ~ 61.5 eV)를 보였으며, 기구적 요인이 아니라면 약 −0.15 eV yr⁻¹의 잠재적 내재적 변화로 해석될 수 있다.
• 고통계 스펙트럼은 온도 kT∞,h = 62.4⁺⁰.⁶₋₀.⁴ eV 및 kT∞,s = 38.9⁺⁴.⁹₋₂.⁹ eV인 이중 블랙바디 모델로 가장 잘 맞추어졌다.
• 유의미한 스펙트럼 특징은 탐지되지 않았으며, 어떤 좁은 또는 넓은 특징의 등가폭에 대해 약 6 eV 이내의 상한선이 제시되었다.
• 유도된 항성 반지름은 R∞ = 12.7⁺⁴.⁶₋⁰.² (d/120 pc) km로, 이전 연구에서의 하한선과 일치하지만, 0.4 keV 이하에서 캘리브레이션 불확실성의 영향을 받는다.