[논문 리뷰] The Anomalous X-Ray Pulsar 4U 0142+61: A Neutron Star with a Gaseous Fallback Disk

Ünal Ertan, M. Hakan Erkut외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 06. 12.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 34인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 비정상적인 X선 펄서 4U 0142+61이 점성 응축으로 구동되는 기체 상의 응축 원반을 가지고 있으며, 중성자별의 X선 복사로 가열되어 있음을 제안한다. 이 모델은 광학에서 적외선까지의 전체 밴드 스펙트럼을 성공적으로 재현한다. 이 모델은 자기권 내의 원반-쉘 다이너모 메커니즘을 통해 비펄스된 원반 복사와 펄스된 광학 복사를 모두 설명하며, 이는 이전의 원반 모델과의 모순을 해결한다.

ABSTRACT

The recent detection of the anomalous X-ray pulsar (AXP) 4U 0142+61 in the mid-infrared with the {\it Spitzer} observatory by Z.Wang and coworkers constitutes the first instance of a disk around an AXP. We show, by analyzing earlier optical and near-IR data together with the recent data, that the overall broadband data set can be reproduced by a single model of an irradiated and viscously heated disk.

연구 동기 및 목표

• 4U 0142+61에서 원반의 존재와 펄스된 광학 복사 간의 모순을 해결하고자 하며, 이는 이전에 원반 모델을 배제하는 것으로 여겨졌던 바이다.
• 점성 가열과 조사로 인한 기체 원반의 단일 물리적으로 일관된 모델이 광학에서 적외선까지의 전체 밴드 스펙트럼 에너지 분포를 재현할 수 있는지 테스트하고자 한다.
• 왕 등(2006)의 수동 먼지 원반 해석을 도전하고자 하며, 동적인 활성 기체 원반이 모든 관측된 복사 성분을 설명할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 점성 소산과 조사로 인한 X선 복사로 인한 질량 유입률과 X선 복사로의 연결을 통해 원반의 에너지원을 자가 일관되게 제공하고자 한다.
• 자기권 펄서 복사가 빛의 원통 내로 돌출된 원반과 공존할 수 있음을 보여주어 오랫동안 지속된 이론적 갈등을 해결하고자 한다.

제안 방법

• 저자들은 광학, 근적외선, 중적외선 대역에서의 다중 파장 관측자료를 분석하였으며, 새로운 스피처 관측자료와 이전의 광학/근적외선 데이터를 포함한다.
• 점성 가열과 조사로 인한 기체 응축 원반 모델을 적용하였으며, 조사와 점성 소산에 의해 유도된 반경 방향 온도 프로파일을 사용한다.
• 표준 점성 응축 원반 이론에 따라 원반 복사를 계산하였으며, 조사 효율과 X선 복사로 $L_{\mathrm{X}}$를 핵심 입력으로 사용한다.
• 모델은 X선 복사를 응축으로 인한 것으로 간주하여 $L_{\mathrm{X}}$를 질량 응축률 $\dot{M}_{\mathrm{acc}}$와 연결함으로써 점성 가열과의 자가 일관된 에너지원을 제공한다.
• 펄스된 광학 복사는 창형 간극 모델(Cheng & Ruderman, 1991)을 기반으로 한 자기권 모델과 원반-쉘 다이너모를 통해 설명된다.
• 모델은 X선에서의 강한 변동성이 광학 대역에서 관측되지 않은 점과 관측된 광학 광도 곡선의 펄스율과 같은 관측 제약 조건을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점성 가열과 조사로 인한 단일 기체 원반 모델이 광학에서 적외선까지의 전체 밴드 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ2 원반과의 상호작용이 펄스된 광학 복사를 억제한다고 여겨졌던 바, 어떻게 펄스된 광학 복사와 원반 존재를 조화시킬 수 있는가?
• RQ3 4U 0142+61에서 관측된 중적외선 복사는 수동 먼지 원반으로서의 해석이 더 타당한가, 아니면 활성적인 점성 가열 기체 원반이 더 타당한가?
• RQ4 특히 외부 영역에서 조사와 점성 가열이 스펙트럼 에너지 분포를 어떻게 형성하는가?
• RQ5 4U 0142+61의 X선 복사는 응축과 일관되게 기인할 수 있는가? 이는 원반의 질량 유입률과 연결되는가?

주요 결과

• 4U 0142+61의 전체 밴드 스펙트럼, 즉 광학에서 적외선까지의 스펙트럼이 점성 가열과 조사로 인한 단일 기체 원반 모델에 의해 잘 재현된다.
• 광학 및 근적외선 복사는 주로 내부 원반의 점성 소산에 의해 공급되며, 내부 영역의 자외선 복사 기여도가 크다.
• 적외선 영역의 복사는 중성자별의 X선 복사로 인한 조사에 의해 지배적이며, 특히 외부 원반 영역에서 두드러진다.
• 모델은 펄스된 광학 복사가 자기권 내 원반-쉘 다이너모에서 기인한다는 점을 성공적으로 설명하며, 관측된 100% 펄스율과 일치한다.
• 자기장 강도가 $10^{13}$ G 이하인 이중극 성분이 존재할 경우, 중성자별의 강한 자기장과 함께 기체 응축 원반이 존재할 수 있다. 더 높은 차수의 다중극 성분이 자기성자 복사를 담당한다.
• 왕 등(2006)이 제안한 수동 먼지 원반 모델은 덜 타당하다. 이는 점성과 안정성 메커니즘의 기원을 설명하지 못하며, 전체 스펙트럼 에너지 분포를 설명할 수 없기 때문이다.