[논문 리뷰] Young energetic PSR J1617-5055, its underluminous nebula and unidentified TeV source HESS J1616-508

Oleg Kargaltsev, George G. Pavlov외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 05. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 37인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 젊고 에너제틱한 펄서 PSR J1617−5055의 찬드라 X선 관측을 통해, 펄서의 자전 감쇠 에너지의 0.02%에 불과한 총 X선 빛줄기로 인한 낮은 밝기의 펄서 풍압운명성(비슷한 풍압운명성)을 규명하였다. 에너제틱한 성질과 TeV 소스 HESS J1616−508에 가까운 위치에도 불구하고, 형태학적 또는 스펙트럼적 증거는 물리적 연관성을 지지하지 않으며, 이는 TeV 방출이 별 형성 영역 또는 발견되지 않은 초신성 잔해와 같은 별개의 소스에서 기인할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We observed the young energetic pulsar J1617-5055 with the Chandra ACIS detector for 60 ks. In addition to the pulsar, the X-ray images show a faint pulsar-wind nebula (PWN) seen up to ~1' from the pulsar. Deconvolution and reconstruction of the image reveal a brighter compact PWN component of ~1'' size, possibly with a jet-torus morphology. The PWN spectrum fits an absorbed power-law (PL) model with the photon index Gamma=1.5. The total PWN luminosity in the 0.5-8 keV band, L_{pwn}=3.2 imes10^{33} ergs s^{-1} for d=6.5 kpc, is a fraction of 2 imes 10^{-4} of the pulsar's spin-down power and a fraction of 0.2 of the pulsar's X-ray luminosity, which is a factor of 20 lower than one would expect from an average empirical relation found for a sample of PWNe observed with Chandra. The pulsar's spectrum can be described by an absorbed PL with n_{H}=3.5 imes10^{22} cm^{-2} and Gamma=1.1, harder than any other pulsar spectrum reliably measured in the soft X-ray band. This non-thermal emission is 50% pulsed showing one peak per period. We have also investigated a possible connection between J1617 and the extended TeV source HESS J1616-508 whose center is located about 10' west of the pulsar. We find no preferential extension of the X-ray PWN toward the TeV source. Therefore, the Chandra data do not provide conclusive evidence for PSR J1617-5055 and HESS J1616-508 association. We have also analyzed archival X-ray, radio, and IR data on the HESS J1616-508 region and found traces of diffuse emission (resembling a shell in the radio) coinciding with the central part of HESS J1616-508. We speculate that the TeV source may be multiple, with most of the emission coming from an unknown SNR or a star-forming region, while some fraction of the TeV emission still may be attributed to the J1617 PWN.

연구 동기 및 목표

• 젊고 에너제틱한 펄서 PSR J1617−5055의 X선 성질과 그 주변 펄서 풍압운명성(PWN)을 조사하기 위해.
• 고해상도 X선 영상 및 스펙트럼 분석을 통해 PSR J1617−5055와 확장된 TeV 소스 HESS J1616−508 사이의 물리적 연관성을 평가하기 위해.
• 희미한 X선 PWN가 풍압운명성에 대한 이론적 기대와 일치하는지 확인하고, 낮은 밝기의 원인을 탐색하기 위해.
• HESS J1616−508 영역과 일치하는 산란 또는 확장된 방출을 보이는 라디오, 적외선, X선 자료를 기존 자료에서 분석하여 TeV 방출의 다른 기원을 평가하기 위해.

제안 방법

• PSR J1617−5055의 고해상도 X선 영상 및 스펙트럼을 확보하기 위해 60 ks 동안 찬드라 ACIS 관측을 수행하였다.
• 영상의 역설계 및 소스 재구성 기법을 적용하여 밀도 높은 PWN 성분을 해소하고 형태를 평가하였다.
• 흡수된 파wer-레인지 모델을 사용하여 펄서 및 PWN 방출의 스펙트럼 피팅을 수행하여 광자 지수와 수소 열두께를 유도하였다.
• PWN의 공간 분포를 TeV 소스 HESS J1616−508의 위치와 비교하여 방향성 정렬 또는 TeV 소스 쪽으로의 확장 여부를 테스트하였다.
• HESS J1616−508 영역에서 산란 또는 확장된 방출 구조를 찾기 위해 기존 X선(XMM-Newton, Suzaku), 라디오, 적외선 자료를 분석하였다.
• 통계적 및 형태학적 비교를 통해 PSR J1617−5055와 HESS J1616−508 사이의 물리적 연결 가능성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR J1617−5055와 연관된 펄서 풍압운명성(PWN)은 다른 젊고 에너제틱한 펄서에서 관측된 일반적인 밝기 수준과 일치하는가?
• RQ2 PWN의 X선 형태학적 특징이 TeV 소스 HESS J1616−508 쪽으로 특별히 확장되어 있는가? 이는 물리적 연관성을 시사하는가?
• RQ3 PSR J1617−5055의 본질적 X선 스펙트럼 형태는 무엇이며, 펄서 자기장 내 방출 이론 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 HESS J1616−508의 TeV 방출은 PWN가 아닌 별 형성 영역 또는 발견되지 않은 초신성 잔해와 같은 다른 소스에서 기인할 수 있는가?
• RQ5 HESS J1616−508 영역에서 TeV 방출을 수용할 수 있는 산란 또는 확장된 X선, 라디오, 적외선 구조가 존재하는가?

주요 결과

• PSR J1617−5055 주변의 펄서 풍압운명성(PWN)은 0.5–8 keV 대역에서 총 X선 빛줄기로 3.2×10³³ erg s⁻¹이며, 펄서의 자전 감쇠 에너지의 2×10⁻⁴에 불과하여 일반적인 PWN에 비해 현저히 낮은 밝기임을 나타낸다.
• PWN는 약 1″ 크기의 밀도 높은 성분을 보이며, 가능성이 있는 제트-터스 모양을 띠며, 스펙트럼은 흡수된 파워-레인지 모델로 적합되며 광자 지수는 Γ ≈ 1.5이다.
• 펄서의 X선 스펙트럼은 흡수된 파워-레인지 모델로 가장 잘 맞으며, 광자 지수는 Γ ≈ 1.1, 수소 열두께는 nH ≈ 3.5×10²² cm⁻²로 유도되었으며, 일반적으로 관측되는 부드러운 X선 대역 펄서보다 더 딱딱한 스펙트럼임을 시사한다.
• 펄서의 X선 방출은 약 50%가 펄스로 나타나며, 비대칭 단일 피크를 보이며, 비열성 및 자기장 내 기원임을 확인한다.
• TeV 소스 HESS J1616−508 쪽으로 X선 PWN의 명백한 확장은 관측되지 않았으며, 두 소스 간의 물리적 연관성을 지지하는 유의미한 형태학적 또는 스펙트럼적 증거도 발견되지 않았다.
• 기존 자료 분석 결과, 껍질 형태의 산란 라디오 및 적외선 방출, HESS J1616−508 영역 내 희미한 X선 소스(X)가 발견되어 TeV 방출이 별 형성 영역 또는 발견되지 않은 초신성 잔해와 같은 별개의 소스에서 기인할 수 있음을 시사한다.