[논문 리뷰] The spectral and beaming characteristics of the anomalous X-ray pulsar 4U 0142+61

J. Trümper, N. D. Kylafis외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이방성 X선 펄서 4U 0142+61이 후퇴 디스크에서의 물질 붕괴에 의해 구동되는 것으로 제안하며, X선 방출은 이원자 자기장이 관통하는 기둥 내에서 대류 운동과 열적 콤프턴 효과에 의해 형성된다. 모형은 디스크 기둥 내에서의 대류 운동과 열적 콤프턴 효과에 의해 하드 X선 꼬리와 에너지에 따라 변화하는 펄스 프로파일을 설명하며, 주 펄스는 광선 기반 방출(팬 비임), 보조 펄스는 표면 등방성 방출로 설명된다. 60 keV 스펙트럼 뾰족은 사이클로트론 공명 산란으로 해석되며, 표면 이원자 자기장 강도는 $ B \approx 7 \times 10^{12}(1+z) $ G로 도출된다.

ABSTRACT

AXPs and SGRs constitute a special population of young neutron stars, which are thought to be magnetars, i.e., neutron stars with super-strong magnetic fields (10^14 - 10^15 G). Assuming that AXPs and SGRs accrete matter from a fallback disk, we attempt to explain the energy-dependent pulse profiles of AXP 4U 0142+61, as well as its phase-dependent energy spectra. In the fallback disk model, the Thomson optical depth along the accretion funnel is significant and bulk-motion Comptonization operates efficiently. This is enhanced by resonant cyclotron scattering. The thus scattered photons escape mainly sideways and produce a fan beam, which is detected as a main pulse up to energies of ~160 keV. The approximately isotropic emission from the stellar surface (soft thermal photons and reflected hard X-ray ones) is detected as a secondary pulse. This secondary pulse shows a bump at an energy of ~60 keV, which may be interpreted as resonant cyclotron scattering of fan-beam photons at the neutron-star surface, implying a dipole magnetic field strength B ~7 x 10^12 (1+z) G, where z is the gravitational redshift. Our model explains the soft and hard X-ray spectra of 4U 0142+61 and its energy dependent pulse profiles of the quiescent emission, while the short bursts are due to magnetar-type processes taking place in superstrong multiple fields.

연구 동기 및 목표

• 이상한 X선 펄서인 4U 0142+61의 지속적인 X선 방출의 기원을 규명하는 것.
• 이들 천체가 초강력 자기장 망각자(>10^{15} G)를 지닌 것인지, 또는 '정상적인' 이원자 자기장(10^{12}-10^{13} G)을 지닌 것인지에 대한 논쟁을 해결하는 것.
• 4U 0142+61에서 관측된 에너지에 따라 변화하는 펄스 프로파일과 하드 X선 꼬리를 설명하는 것.
• 스펙트럼 및 시간 데이터와의 비교를 통해 후퇴 디스크 붕괴 모형을 검증하는 것.

제안 방법

• 이원자 자기장 강도가 $10^{12}-10^{13}$ G인 붕괴 기둥 내에서 대류 운동과 열적 콤프턴 효과를 통한 X선 방출을 모델링하는 것.
• 관개 영역에서 뚜렷한 톰슨 광학 두께와 공명 사이클로트론 산란을 고려한 광자 운반 시뮬레이션.
• 두 방출 성분인 광선 기반 방출(주 펄스)과 등방성 표면 방출(보조 펄스)을 고려하여 탈출 스펙트럼과 펄스 프로파일을 계산하는 것.
• 관측된 60 keV 스펙트럼 뾰족에서 자기장 강도를 추정하기 위해 중력 레드시프트 $z$ 를 적용하는 것.
• X선 관측에서 얻은 단계별 에너지 스펙트럼과 펄스 프로파일과 모형 예측을 비교하는 것.
• 붕괴 가열, 열 전도 및 내부 열이 극지역 가열에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4U 0142+61의 하드 X선 꼬리와 에너지에 따라 변화하는 펄스 프로파일이 초강력 자기장 망각자 활동이 아닌, 이원자 자기장 내 붕괴에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 보조 펄스에서 관측된 60 keV 스펙트럼 뾰족을 바탕으로 유도되는 표면 이원자 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ3 콤프턴 효과와 공명 사이클로트론 산란은 관측된 X선 스펙트럼과 펄스 프로파일을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 후퇴 디스크 붕괴 모형은 펄스 프로파일과 단계 진화의 장기적 안정성과 일치하는가?
• RQ5 이 모형은 AXPs와 SGRs에서의 지속 방출과 초초과 에너지 폭발을 모두 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 약 160 keV까지의 하드 X선 꼬리는 붕괴 기둥 내에서의 대류 운동과 열적 콤프턴 효과에 의해 발생하며, 주 펄스로 관측되는 광선 기반 방출을 형성한다.
• 표면 등방성 방출에서 기인한 보조 펄스는 광선 기반 방출 광자의 공명 사이클로트론 산란로 인해 약 60 keV 부근에 뚜렷한 뾰족을 보인다.
• 60 keV 뾰족은 표면 이원자 자기장 강도 $ B \approx 7 \times 10^{12}(1+z) $ G로 이르는 것으로 해석되며, 초강력 자기장이 필요하지 않은 후퇴 디스크 모형과 일치한다.
• 이 모형은 4U 0142+61의 부드러운 및 딱딱한 X선 스펙트럼과 에너지에 따라 변화하는 펄스 프로파일을 자율적으로 일관되게 설명한다.
• 초초과 에너지 폭발은 붕괴에 의해 설명되지 않으며, 대신 $ B \sim 10^{14}-10^{15} $ G 정도의 局부 다극자 자기장에서 기인한 것으로 보이며, 태양 플레어와 유사하다.
• 붕괴 과정은 이원자 자기장에 의해 매개되며, 거대 폭발을 일으키는 다극자 자기장에 영향을 주지 않아, 지속 방출과 폭발 방출을 통합적으로 설명할 수 있는 그림을 제공한다.