[논문 리뷰] The X-ray Pulsar M82 X-2 on its Propeller Line

Dimitris M. Christodoulou, D. Kazanas외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 8

한 줄 요약

논문은 펄사의 자화율, 자전 주기, 자전 가속률, 최소 X선 복사원의 두 가지 독립적인 순환 이론 계산을 바탕으로 M82 X-2가 초강력 자기장의 자성자(마그네타르)가 아니라 약 3 TG의 자기장을 가진 표준 중성자별임을 주장한다. 이는 Eddington 한계 근처의 프로펠러 선 상에 위치함을 확인하며, 초Eddington 상태의 활동은 극도의 자기장이 아닌 비대칭 복사에 의해 설명된다.

ABSTRACT

{\it NuSTAR} has detected pulsations from the ultraluminous X-ray source X-2 in M82 and archival {\it Chandra} observations have given us a good idea of its duty cycle. The newly discovered pulsar exhibited at least 4 super-Eddington outbursts in the past 15 years but, in its lowest-power state, it radiates just below the Eddington limit and its properties appear to be typical of high-mass X-ray binaries. M82 X-2 has been described as a common neutron star with a 1~TG magnetic field that occasionally accretes above the Eddington rate and as a magnetar-like pulsar with a 10-100~TG magnetic field that reaches above the quantum limit. We argue in favor of the former interpretation. Using standard accretion theory and the available observations, we calculate the stellar magnetic field of this pulsar in two independent ways and we show that it cannot exceed 3~TG in either case. We discuss the implications of our results for other ultraluminous X-ray sources that occasionally exhibit similar powerful outbursts.

연구 동기 및 목표

• M82 X-2가 초강력 자기장을 지닌 마그네타르인지 일반 중성자별인지에 대한 논쟁을 해결하기 위해.
• 표준 순환 이론에 기반한 두 가지 독립적인 방법을 사용하여 M82 X-2의 항성 자기장을 결정하기 위해.
• 관측된 복사원과 자전 변화가 Eddington 한계 근처의 프로펠러 효과와 일치하는지 테스트하기 위해.
• 이전에 제기된 낮은 복사원 상태를 침묵하는 자기권 방출 또는 Corbet 갭으로 해석하는 해석에 도전하기 위해.
• 유사한 활동을 보이는 다른 초강력 X선 소스(ULXs)에 대한 함의를 평가하기 위해.

제안 방법

• 디스크 내부 가장자리가 공진주기까지 도달할 때 프로펠러 선 조건을 적용하여 펄사의 자전 주기와 자전 가속률을 사용해 최소 등방성 X선 복사원을 계산함.
• 자기권 반경 공식(Ghosh & Lamb, 1979)을 사용하여 순환 토크와 자전 변화의 균형에서 자기장을 유도함.
• NuSTAR 스펙트럼의 고에너지 절단점(14 keV)을 사용하여 자기장 추정치를 교차 검증함. 이는 표준 순환 이론과 일치함.
• 이전 모델의 모순을 해결하기 위해 디스크 내부 가장자리 위치와 질량 순환률에 대한 잘못된 가정을 특정함.
• King & Lasota(2016) 및 Karino & Miller(2016)의 대안 모델을 평가하여 이들이 프로펠러 선 조건을 충족하지 못함을 보임.
• 디스크 내부 가장자리에서 Eddington 순환률을 적용하여 복사원과 자기장 추정치의 기초를 확립함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 펄사 M82 X-2의 진정한 자기장 강도는 얼마이며, 이는 마그네타르 유사한지 일반 중성자별 해석을 지지하는가?
• RQ2 M82 X-2의 관측된 복사원 변화는 Eddington 한계 근처의 프로펠러 효과와 일치하는가?
• RQ3 M82 X-2의 낮은 복사원 상태는 이전에 제안된 바와 같이 침묵하는 자기권 방출 또는 Corbet 갭 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ4 자전 변화와 스펙트럼 절단점에서 유도된 두 가지 독립적인 자기장 추정치는 어떻게 비교되며, 이는 소스의 순환 상태에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 유사한 활동을 보이는 다른 초강력 X선 소스에 대해 보통 자기장이면 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 두 가지 독립적인 방법(자전 변화 및 고에너지 스펙트럼 절단점)을 사용하여 M82 X-2의 자기장이 ≤3 TG로 제약됨.
• 소스는 Eddington 한계 근처의 프로펠러 선 상에 위치하며, 가장 낮은 에너지 상태에서 L_Edd 이하로 복사함. 이는 표준 순환 이론과 일치함.
• 관측된 초Eddington 상태의 활동은 극도의 자기장이나 초임계 순환에 의해 설명되지 않고, 비대칭 X선 복사(빔형 방출)에 의해 설명됨.
• 낮은 복사원 상태를 침묵하는 자기권 방출 또는 Corbet 갭 상태로 해석하는 것은 관측 결과와 이론적 제약과 일치하지 않음.
• 모델은 강력함: 다른 순환률 추정치를 사용하더라도, 디스크 내부 가장자리에서 Eddington 제한 순환률을 적용하면 동일한 자기장 추정치를 얻음.
• 결과는 M82 X-2가 특이한 천체가 아니라 일반적인 고질량 X선 이중성 펄사임을 지지하며, 다른 ULXs도 빔형 복사로 인한 것으로 보일 수 있음.