[논문 리뷰] SXP 1062, a young Be X-ray binary pulsar with long spin period; Implications for the neutron star birth spin

F. Haberl, R. Sturm외 3명|MPG.PuRe (Max Planck Society)|2011. 12. 02.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 37인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 소마그라니안은하의 Be/X선 이중성 펄서 SXP 1062를 중심으로 한 젊은 초신성잔여물(SNR)의 발견을 제시한다. 이 펄서는 1062초의 매우 긴 자전 주기와 −2.6 × 10⁻¹² Hz s⁻¹의 높은 자전 감속률을 나타낸다. 저자들은 중성자별이 최소 0.5초의 자전 주기로 태어났을 가능성이 높다고 추론하며, 이는 중성자별이 일반적으로 수십 밀리초 수준의 주기로 태어난다는 전통적 가정을 도전한다.

ABSTRACT

(shortened) The SMC is ideally suited to investigating the recent star formation history from X-ray source population studies. It harbours a large number of Be/X-ray binaries, and the supernova remnants can be easily resolved with imaging X-ray instruments. We search for new supernova remnants in the SMC and in particular for composite remnants with a central X-ray source. We study the morphology of newly found candidate supernova remnants using radio, optical and X-ray images and investigate their X-ray spectra. Here we report on the discovery of the new supernova remnant around the recently discovered Be/X-ray binary pulsar SXP 1062 in radio and X-ray images. The Be/X-ray binary system is found near the centre of the supernova remnant, which is located at the outer edge of the eastern wing of the SMC. The remnant is oxygen-rich, indicating that it developed from a type Ib event. From XMM-Newton observations we find that the neutron star with a spin period of 1062 s shows a very high average spin-down rate of 0.26 s per day over the observing period of 18 days. From the currently accepted models, our estimated age of around 10000-25000 years for the supernova remnant is not long enough to spin down the neutron star from a few 10 ms to its current value. Assuming an upper limit of 25000 years for the age of the neutron star and the extreme case that the neutron star was spun down by the accretion torque that we have measured during the XMM-Newton observations since its birth, a lower limit of 0.5 s for the birth spin period is inferred. For more realistic, smaller long-term average accretion torques our results suggest that the neutron star was born with a correspondingly longer spin period. This implies that neutron stars in Be/X-ray binaries with long spin periods can be much younger than currently anticipated.

연구 동기 및 목표

• 소마그라니안은하(SMC)에 새로 발견된 초신성잔여물(SNR)과 Be/X선 이중성 펄서 SXP 1062 간의 연관성을 조사하는 것.
• SNR의 연령을 결정하고 SXP 1062의 중성자별 자전 진화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 관측된 높은 자전 감속률이 중성자별이 일반적으로 짧은 주기(~10 ms)로 태어났다면 현재 1062초의 긴 자전 주기를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 관측된 자전 감속 행동을 바탕으로 Be/X선 이중성에서 중성자별 탄생 자전 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• XMM-Newton X선 관측, 광학 협대역 영상(MCELS), 그리고 전파 연속스펙트럼 데이터(ATCA)를 활용한 다파장 분석을 통해 SNR와 그 중심 천체를 식별하고 특성화하는 것.
• XMM-Newton EPIC-pn 및 MOS 기구에서 스펙트럼 추출을 통해 SXP 1062와 그 주변 SNR의 X선 방출을 분석하고 배경 제거 및 소스 영역 선택을 수행하는 것.
• 18일 간의 관측 기간 동안의 일관된 X선 펄세이션을 통해 펄서의 자전 주기와 자전 감속률(ḟ)을 측정하는 것.
• 산소를 다량 함유한 조성으로부터 타입 Ib 초신성임을 추론하고, 형태학적 및 스펙트럼적 성질을 기반으로 SNR 연령을 추정하는 것.
• 가속 토크 지배를 가정한 중성자별 자전 진화 모델링을 통해 관측된 자전 감속률을 이용해 탄생 자전 주기의 하한을 유추하는 것.
• 관측된 자전 감속률을 Be/X선 이중성에서의 가속 토크 이론 모델과 비교하며, 시간 평균 및순간 토크 행동을 고려하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Be/X선 이중성 펄서 SXP 1062는 소마그라니안은하에 물리적으로 초신성잔여물과 연관되어 있는가?
• RQ2 다중파장 관측을 기반으로 SXP 1062를 둘러싼 초신성잔여물의 추정 연령는 얼마인가?
• RQ3 중성자별이 일반적으로 짧은 주기(~10 ms)로 태어났다면, 관측된 자전 감속률이 현재 1062초의 자전 주기를 설명할 수 있는가?
• RQ4 자기 자신이 탄생 이래로 순수하게 가속 토크에 의해 자전 감속해 왔다고 가정할 때, 관측된 자전 감속률이 중성자별의 탄생 자전 주기에 대해 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 SXP 1062가 젊은 SNR와 연관되어 있다는 것은, Be/X선 이중성에서 중성자별이 기존에 상정한 것보다 훨씬 긴 자전 주기로 탄생할 수 있음을 시사하는가?

주요 결과

• 소마그라니안은하의 Be/X선 이중성 펄서 SXP 1062를 중심으로 한 껍질 모양의 초신성잔여물이 전파, 광학, X선 파장에서 발견되었다.
• SNR는 산소를 다량 함유하고 있어 타입 Ib 초신성 기원임을 시사하며, 약 10,000~25,000년의 연령이 추정된다.
• SXP 1062의 중성자별은 18일 간의 XMM-Newton 관측 기간 동안 평균 자전 감속률 −2.6 × 10⁻¹² Hz s⁻¹의 높은 수준을 보였다.
• 중성자별이 탄생 이래 이 감속률을 유지했다고 가정할 경우, 탄생 자전 주기의 하한으로 0.5초가 도출된다.
• 더 현실적인, 낮은 장기 평균 가속 토크를 고려할 경우, 추정되는 탄생 자전 주기는 더욱 길어지며, 이는 Be/X선 이중성에서 중성자별이 기존의 약 ~10 ms의 보편적 주기보다 훨씬 긴 주기로 탄생할 수 있음을 시사한다.
• SXP 1062가 젊은 SNR와 연관되어 있다는 것은, 만약 중성자별이 긴 자전 주기로 탄생했다면 Be/X선 이중성의 중성자별이 이전에 생각한 것보다 훨씬 어린 나이일 수 있음을 암시한다.