[논문 리뷰] Study of luminosity and spin-up relation in X-ray binary pulsars with long-term monitoring by MAXI/GSC and Fermi/GBM

M. Sugizaki, T. Mihara외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 MAXI/GSC의 장기적 X선 광도 light curve와 Fermi/GBM의 펄스 주기 데이터를 사용하여 다섯 개인 Be X선 이중성 펄서에서 광도-스핀 업 관계를 조사한다. 관측된 스피너 업 속도가 이론적 모델 Ghosh & Lamb (1979)에 따라 $ \dot{P}_{\text{spin}} \propto L^{6/7} $ 로 스케일링됨을 확인하였으며, 비추출성과 측정 불확실성으로 인한 약간의 산란이 있음에도 불구하고 모든 천체에서 상관 계수 $ \alpha $ 가 예측값과 매우 유사하게 유지됨을 보였다.

ABSTRACT

We study the relation between luminosity and spin-period change in X-ray binary pulsars using long-term light curve obtained by the MAXI/GSC all-sky survey and pulse period data from the Fermi/GBM pulsar project. X-ray binaries, consisting of a highly magnetized neutron star and a stellar companion, originate X-ray emission according to the energy of the accretion matter onto the neutron star. The accretion matter also transfers the angular momentum at the Alfven radius, and then spin up the neutron star. Therefore, the X-ray luminosity and the spin-up rate are supposed to be well correlated. We analyzed the luminosity and period-change relation using the data taken by continuous monitoring of MAXI/GSC and Fermi/GBM for Be/X-ray binaries, GX 304$-$1, A 0535$+$26, GRO J1008$-$57, KS 1947$+$300, and 2S 1417$-$624, which occurred large outbursts in the last four years. We discuss the results comparing the obtained observed relation with that of the theoretical model by Ghosh \& Lamb (1979).

연구 동기 및 목표

• Be X선 이중성 펄서에서 X선 광도와 스피너 주기 변화율 간의 경험적 관계를 조사하기 위해.
• Ghosh & Lamb (1979)의 이론적 예측인 $ \dot{P}_{\text{spin}} \propto L^{6/7} $ 가 장기 관측 데이터를 통해 검증 가능한지 테스트하기 위해.
• 궤도 도플러 효과를 고려하여 펄스 주기 변화에서 내재된 스피너 업 신호를 분리하기 위해 반경험적 모델을 사용하기 위해.
• 다양한 궤도 및 스피너 파ameter를 가진 다섯 개의 Be XBP에서 관측된 스피너 업 속도가 이론적 기대와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 등방성 방출과 일반적인 截단형 파wr-law 스펙트럼을 가정하여, MAXI/GSC의 2–20 keV 장기적 광도 곡선을 사용해 전체 광도 $ L_{37} $ 를 추정함.
• Fermi/GBM 펄서 프로젝트에서 펄스 주기 데이터를 확보하였으며, 궤도 요소가 알려진 경우 궤도 도플러 시프트를 보정함.
• Kepler 궤도 요소를 사용하여 GL79 스피너 업 법칙 $ \dot{P}_{\text{spin}} = \alpha L^{6/7} $ 와 궤도 도플러 효과를 결합한 반경험적 모델을 구축함.
• 이론에 따라 $ \gamma = 6/7 $ 를 고정하고, 내재된 스피너 업과 궤도 파ameter를 동시에 최적화하여 관측 주기 데이터에 모델을 적합함.
• 최적화된 $ \alpha $ 값과 이론적 $ \alpha_0 $ 를 비교하여 광도 보정 및 시스템 파am터에 따른 편차를 평가함.
• 모델을 궤도 요소가 알려져 있거나 최적화 과정에서 자유롭게 조정된 다섯 개의 Be XBP(GX 304–1, A 0535+26, GRO J1008–57, KS 1947+300, 2S 1417–624)에 적용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Be X선 이중성 펄서에서 관측된 스피너 업 속도가 Ghosh & Lamb (1979)가 예측한 $ L^{6/7} $ 의 의존성과 일치하는가?
• RQ2 다양한 Be X선 이중성 시스템에서 관측된 광도와 스피너 주기 변화 상관관계가 이론 모델과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 광도 보정 및 비추출성의 불확실성이 관측된 $ \alpha $-요소가 이론적 예측과 비교할 때 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스피너 주기, 궤도 주기 또는 이심률에 따라 $ \alpha / \alpha_0 $ 비율에 체계적인 추세가 존재하는가?
• RQ5 궤도 도플러 효과가 존재하고 궤도 요소가 불확실할 경우, 펄스 주기 데이터에서 내재된 스피너 업 신호를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 스피너 업 속도 $ \dot{P}_{\text{spin}} $ 가 이론적 모델 Ghosh & Lamb (1979)에 따라 $ L^{6/7} $ 로 스케일링됨을 확인하였으며, $ \gamma = 6/7 $ 가 데이터에 의해 잘 지지됨.
• 다섯 개의 Be XBP에 대해 최적화된 상관 계수 $ \alpha $ 는 이론적 예측값 $ \alpha_0 $ 와 약 3배 이내로 일치하며, $ \alpha / \alpha_0 $ 는 0.28에서 3.2 사이로 변동함.
• 궤도 요소가 알려지지 않은 GX 304–1의 경우도 궤도 파am터를 자유롭게 조정하여 모델이 성공적으로 데이터를 적합함으로써 $ L^{6/7} $ 스케일링의 강건성을 확인함.
• $ \alpha / \alpha_0 $ 의 산란은 특히 비추출성과 스펙트럼 변화로 인한 전체 광도 보정의 불확실성 때문임을 기인함.
• 스피너 주기나 궤도 주기와의 관계에서 강한 체계적 추세는 발견되지 않았지만, 더 많은 데이터가 필요로 할 경우 이심도와의 가능성 있는 추세가 드러날 수 있음.
• 모델은 다섯 개의 천체에서 모두 완전한 급증 및 침체 주기를 성공적으로 재현하였으며, 광도 범위가 넓은 동안 $ L^{6/7} $ 스케일링의 타당성을 입증함.