[論文レビュー] Complex variations of X-ray polarization in the X-ray pulsar LS V +44 17/RX J0440.9+4431

Victor Doroshenko, Juri Poutanen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、IXPEを用いて巨大増光期中のベイシアンX線パルサーLS V +44 17/RX J0440.9+4431における最初のパルス位相分解X線偏光測定を実施し、2つの輝度状態間で強く変化する偏光を明らかにした。観測された偏光方位角（PA）の位相依存性は、2回の観測で著しく異なっていたが、円形円盤風内での散乱に起因する追加の非パルス的で高偏光度の成分（PD ≈ 10–30%，PA ≈ 70°）を含めれば、単一のパルサー幾何構造で説明可能となり、数日間のうちに生じた見かけの幾何的不一致が解消された。

ABSTRACT

We report on ixpe observations of the Be-transient X-ray pulsar LS V +44 17/RX J0440.9+4431 at two luminosity levels during the giant outburst in January--February 2023. Considering the observed spectral variability and changes in the pulse profiles, the source was likely caught in super- and sub-critical states with significantly different emission region geometry, associated with the presence of accretion columns and hot spots, respectively. We focus here on the pulse-phase resolved polarimetric analysis and find that the observed dependencies of the polarization degree and polarization angle (PA) on pulse phase are indeed drastically different for the two observations. The observed differences, if interpreted within the framework of the rotating vector model (RVM), imply dramatic variations of the spin axis inclination and the position angle and the magnetic colatitude by tens of degrees within just a few days separating the observations. We suggest that the apparent changes in the observed PA phase dependence are predominantly related to the presence of a polarized unpulsed component in addition to the polarized radiation associated with the pulsar itself. We show that the observed PA phase dependence in both observations can then be explained with a single set of RVM parameters defining the pulsar's geometry. We also suggest that the additional polarized component is likely produced by scattering of the pulsar radiation off the equatorial disk wind.

研究の動機と目的

• IXPEを用いて、巨大増光期中のX線パルサーLS V +44 17/RX J0440.9+4431の幾何構造と放射メカニズムをX線偏光測定によって調査すること。
• 数日間の間隔を空けて実施された2回の観測における、見かけの偏光方位角（PA）の位相依存性の相違を解消すること。
• 観測された偏光度の変化が、パルサーの幾何構造の内因的変化に起因するのか、それとも外部からの偏光成分に起因するのかを特定すること。
• 外部の偏光成分が存在する状況下でも、回転ベクトルモデル（RVM）がX線パルサーにおける複雑な偏光行動を説明できるかを検証すること。

提案手法

• IXPEを用いて、異なる輝度レベルの2回の観測で、パルス位相分解X線偏光測定を実施した。
• 偏光度（PD）とPAをパルス位相関数として分析し、放射幾何構造の変化を検出した。
• 回転ベクトルモデル（RVM）を適用し、PA位相曲線からパルサーの傾き角、磁気軸のずれ角、スピン位置角を推定した。
• 導出された幾何パrameterの不一致を説明するため、追加の非パルス的で偏光度の高い成分をモデルに組み込んだ。
• スペクトルの変化とパルスプロファイルの変化を用いて、降着柱（超臨界状態）と高温スポット（準臨界状態）の存在を推定した。
• 追加の偏光成分は、高度にイオン化された赤道的円盤風内でのパルサー放射の散乱に起因すると提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜIXPEによる2回の観測（数日間の間隔を空けて実施）で、パルス位相分解偏光方位角（PA）の依存性がこれほど著しく異なるのか？
• RQ2 観測されたPA位相依存性の差異は、単一のパルサー幾何構造で説明可能か、それともパルサーのスピン軸および磁気軸の急速な変化を示唆するのか？
• RQ3 データで検出された追加の非パルス的で高偏光度の成分の起源は何か？
• RQ4 降着柱と高温スポットのどちらが支配的かによって、観測されたX線偏光特性はどのように変化するか？
• RQ5 外部の偏光成分が存在する場合、回転ベクトルモデル（RVM）はX線パルサーにおける複雑な偏光行動をどの程度まで説明できるか？

主な発見

• 両方の観測で、パルス位相の一部のチャンクにおいて、偏光度（PD）が20%を超える強いX線偏光を示した。
• RVMを用いて解釈した場合、PA位相依存性は単一のパルサー幾何構造とは整合せず、数日間のうちに傾き角、磁気軸ずれ角、位置角が数10度変化したように見えるとされた。
• 見かけの幾何的変化は、一定の非パルス的で高偏光度の成分（PD ≈ 10–30%，PA ≈ 70°）をモデルに組み込むことで解消された。この成分は、赤道的円盤風内での散乱に起因すると考えられる。
• 非パルス成分を差し引いた後、パルサーの幾何構造は一貫して以下で記述できる：傾き角ip ≈ 108°、磁気軸ずれ角θp ≈ 48°、スピン位置角χp ≈ −8.4°。
• 追加成分を考慮した場合、両観測のPA位相依存性はRVMで良好に記述可能であり、特に観測2ではほぼ完璧な一致が得られた。
• 本結果は、X線パルサー偏光の正確な解釈には、複数回の観測、高品質な偏光測定—望ましくは広帯域スペクトロスコピーと光学偏光測定と併用したもの—が不可欠であることを示唆している。