[논문 리뷰] The X-ray luminosity of rotation-powered neutron stars

W. Becker, J. Tr|arXiv (Cornell University)|1997. 08. 19.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 2인용 수 74

한 줄 요약

이 논문은 27개의 회전력 보유 중성자성우에서 X선 복사원( L_X )과 회전 에너지 손실률(Ė) 사이에 밀도 높은 상관관계를 확립하여, 대부분의 X선 복사가 회전 에너지로 구동되는 자기권 과정에서 기인한다는 것을 시사한다. 관측된 등급-법 스펙트럼과 유의미한 내재 산란이 없는 것은 공전하는 자기권 복사 메커니즘을 지지하며, 유일하게 세 개의 중년 펄서만이 추가적인 열 표면 복사 성분을 보이고 있다.

ABSTRACT

As a result of recent observations with ROSAT and ASCA the number of rotation-powered pulsars seen at X-ray energies has increased substantially. In this paper we review the phenomenology of the observed X-ray emission properties. At present 27 pulsars are detected, representing a wide range of ages (10^3 - 7 x 10^9 yrs), magnetic field strength (10^8 - 10^13 G) and spin periods (1.6 - 530 ms). Despite these dispersions in parameters all pulsars show an X-ray luminosity closely correlated with the rotational energy loss. This suggests that most of the observed X-rays are produced by magnetospheric emission originating from the co-rotating magnetosphere. Only for three middle aged pulsars (PSR 0656+14, Geminga and PSR 1055-52) and probably for the Vela-pulsar an additional thermal component is detected which can be attributed to thermal emission from the neutron stellar surface.

연구 동기 및 목표

• 최근 ROSAT 및 ASCA 관측 자료를 활용하여 회전력 보유 중성자성우에서 X선 복사의 물리적 기원을 조사하기 위해.
• X선 복사원이 주로 회전 에너지 손실에 의해 구동되는지, 또는 열 표면 복사와 같은 다른 메커니즘에 의해 구동되는지 판단하기 위해.
• 관측된 X선 스펙트럼을 형성하는 자기권, 풍, 성운 복사 성분의 상대 기여도를 평가하기 위해.
• 밀리초 펄서와 오래된 필드 펄서를 포함한 다양한 펄서 집단에서 L_X ∝ Ė 상관관계의 일관성을 검토하기 위해.
• 자기장 강도, 자전 주기, 특성 수명이 X선 출력과 복사 메커니즘을 어떻게 규명하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 측정된 자전 주기, 주기 도함수 및 흡수 열밀도를 포함하여 ROSAT 및 ASCA 자료를 통해 X선에서 탐지된 27개의 회전력 보유 펄서 샘플을 편성하였다.
• 펄스된 복사, 등급-법 또는 블랙바디 성분, 성운 기여도를 식별하기 위해 X선 광도곡선 및 스펙트럼을 분석하였다.
• X선 복사원( L_X )과 회전 에너지 손실률(Ė) 사이의 상관관계를 테스트하기 위해 L_X 대 Ė 도표를 그렸다.
• 표준 자기 브레이킹 모델을 사용하여 특성 수명(τ = P / 2Ṗ)과 극자기장 강도( B⊥ ∝ (PṖ)1/2 )를 유도하였다.
• 자기권 복사 성분과 열 복사 성분을 구분하기 위해 등급-법(pwl), 블랙바디(bb), 그리고 조합(bb + pwl) 스펙트럼 모델을 피팅하였다.
• 공전하는 자기권 복사(L_X ∝ B⊥²Ω⁴)와 라이트실린더 복사(L_X ∝ B⊥⁵Ω¹¹)의 이론적 기대값과 관측된 L_X 값을 비교하여 복사 발생 위치를 제약하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전력 보유 펄서의 X선 복사원은 주로 회전 에너지 손실에 의해 공급되는가?
• RQ2 관측된 X선 복사의 주요 복사 메커니즘은 무엇인가? (자기권 대비 열 표면 복사 또는 풍/성운 복사)
• RQ3 펄서의 연령, 자기장, 자전 주기에 따라 X선 스펙트럼 특성(예: 등급-법 대비 블랙바디)은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 밀리초 펄서는 젊고 Ė가 높은 펄서들과 동일한 L_X ∝ Ė 관계를 따르는가? 이는 공통된 복사 메커니즘을 시사하는가?
• RQ5 관측된 L_X와 Ė 사이의 상관관계는 공전하는 자기권 과정으로 설명될 수 있는가, 아니면 라이트실린더 근처에서의 복사가 필요한가?

주요 결과

• 27개의 회전력 보유 펄서에서 X선 복사원( L_X )과 회전 에너지 손실률(Ė) 사이에 강한 상관관계를 관측하였으며, 선형 관계 L_X ∝ Ė 가 성립한다.
• 대부분의 펄서가 등급-법 X선 스펙트럼(E ≥ 0.5 keV)을 나타내어, 비열성 자기권 복사가 주요 메커니즘이라는 것을 시사한다.
• 오직 세 개의 중년 펄서(PSR 0656+14, Geminga, PSR 1055-52)와 가능성이 있는 Vela 펄서만이 추가적인 열 성분을 보이며, 이는 중성자성별 표면 복사로 기인한다.
• X선 효율(L_X / Ė)은 샘플 전반에서 놀랄 정도로 일정하며, 내재 산란이 최소이므로 안정적이고 보편적인 복사 과정을 시사한다.
• L_X ∝ Ė 상관관계는 라이트실린더 근처 복사(L_X ∝ B⊥⁵Ω¹¹)가 아니라 공전하는 자기권 복사(L_X ∝ B⊥²Ω⁴)와 일치하여 고차수 각속도 의존성은 배제된다.
• 밀리초 펄서는 긴 자전 주기와 낮은 Ė를 지니고 있음에도 불구하고, 젊은 펄서들과 동일한 L_X ∝ Ė 관계를 따르며, 이는 X선 복사의 공통된 자기권 기원을 지지한다.