[論文レビュー] Accretion-powered pulsations in an apparently quiescent neutron star binary

Anne M. Archibald, Slavko Bogdanov+11 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Dec 3, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、既知の降着するミリ秒パルサーの中で最も明るいX線光度の約100分の1、すなわち非常に弱いX線光度で、PSR J1023+0038から一貫したX線パルスが検出された。これは、降着率が極めて低い状態であるにもかかわらず、磁化された中性子星への物質の磁気的誘導降着（磁気的フネリング）が継続していることを示しており、従来の降着モデルに疑問を呈する。

ABSTRACT

Accreting millisecond X-ray pulsars are an important subset of low-mass X-ray binaries in which coherent X-ray pulsations can be observed during occasional, bright outbursts (X-ray luminosity $L_X\sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$). These pulsations show that matter is being channeled onto the neutron star's magnetic poles. However, such sources spend most of their time in a low-luminosity, quiescent state ($L_X\lesssim 10^{34}$ erg s$^{-1}$), where the nature of the accretion flow onto the neutron star (if any) is not well understood. Here we report that the millisecond pulsar/low-mass X-ray binary transition object PSR J1023+0038 intermittently shows coherent X-ray pulsations at luminosities nearly 100 times fainter than observed in any other accreting millisecond X-ray pulsar. We conclude that in spite of its low luminosity PSR J1023+0038 experiences episodes of channeled accretion, a discovery that challenges existing models for accretion onto magnetized neutron stars.

研究の動機と目的

• 降着率が極めて低い状態であるにもかかわらず、磁気的誘導降着がニュートニウム星連星系の静止状態に継続するかどうかを調査すること。
• 10^34 erg s⁻¹未満の光度で、磁気的フネリングを示す一貫したX線パルスが観測可能かどうかを特定すること。
• PSR J1023+0038が回転駆動ミリ秒パルサーから低光度X線連星系へと遷移する過程における降着物理学を理解すること。
• 極めて静止状態の条件下で、磁化された中性子星に対する現在の降着モデルの限界を検証すること。

提案手法

• EPIC-pnおよびMOS検出器を用いて、2013年11月および2014年6月の2回のXMM-Newton観測を実施し、高速タイムシーケンスモードでPSR J1023+0038を観測した。
• 10秒間隔の光度曲線を分析し、低光度、高光度、フレア、曖昧、バックグラウンドフレアモードに分類した。
• Hテストおよびフーリエ解析を用いて一貫したパルスを検出。パルスの有効光度は、バイアスを最小限に抑えるために、平均二乗根（F_rms）変調を用いて推定した。
• フーリエ係数とその不確実性に基づくバイアス補正付きF_rms推定器を適用。パラセバルの定理に補正項を加えた。
• 推定されたパルスプロファイルと真のパルスプロファイルの平均二乗誤差を最小化する基準に基づき、最適な調和数（m）を選定した。
• クロス相関および最小二乗フィッティングを用いて、RMSP状態とLMXB状態の間でパルスプロファイルを整列・比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^34 erg s⁻¹未満のX線光度で、磁気的誘導降着を示す一貫したX線パルスが、ニュートニウム星連星系で検出可能かどうか。
• RQ2 このような極めて低い光度でパルスが観測された場合、静止状態のLMXBにおける降着流の幾何学的構造と磁場との相互作用にどのような意味を持つのか。
• RQ3 PSR J1023+0038のLMXB状態における降着行動は、既知のAMXPsおよび静止状態のLMXBとどのように異なるか。
• RQ4 極めて静止状態の条件下で、磁化された中性子星に対する標準的な降着モデルは、どの程度有効性を保っているか。

主な発見

• PSR J1023+0038でX線光度約3×10^33 erg s⁻¹の状態で、一貫したX線パルスが検出された。これは、これまでに観測された降着するミリ秒パルサーの光度のおよそ100分の1であり、極めて弱い光度である。
• 2013年11月および2014年6月の両方のXMM-Newton観測でパルスが観測され、現象が一時的ではなく、間欠的であることが確認された。
• F_rmsを用いたパルス度は、光度曲線の最小値におけるノイズと統計的バイアスを補正するフーリエベースの手法により、頑健かつバイアスのない推定が可能であった。
• LMXB状態のパルスプロファイルは、RMSP状態のプロファイルと明確に類似しており、劇的な状態遷移にもかかわらず、降着幾何学の継続性が示唆された。
• 極めて低い光度でもパルスが検出されたことは、降着流の磁気的フネリングが、降着率が極めて低い状態であっても継続していることを示している。
• この結果は、磁化された中性子星への降着モデルに疑問を呈するものであり、磁気的圧力のため、静止状態では降着とパルスが抑制されるという従来の予測とは食い違う。