[논문 리뷰] Coordinated X-ray, Ultraviolet, Optical, and Radio Observations of the PSR J1023+0038 System in a Low-mass X-ray Binary State

Slavko Bogdanov, Anne M. Archibald외 15명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 저질량 X선 이중성(LMXB) 상태에 있는 PSR J1023+0038의 다파장 관측을 제시하며, 세 가지 X선 복사율 모드 간에 빠른 빈도의 전환을 확인한다: 일관된 펄세이션을 보이는 안정적인 $3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$ 모드, 펄세이션이 없는 낮은 $5\times10^{32}$ erg s$^{-1}$ 모드, 그리고 최대 $10^{34}$ erg s$^{-1}$에 이르는 일시적인 플레어. 데이터는 응축 중에 라디오 펄세이션을 보이지 않았지만, 약한 제트를 암시하는 일관된 스펙트럼의 변동성이 있는 라디오 방출을 검출하였으며, X선과 라디오 변동성 간의 상관관계가 없어 기존의 응축 모델에 도전한다.

ABSTRACT

The PSR J1023+0038 binary system hosts a neutron star and a low-mass, main-sequence-like star. It switches on year timescales between states as an eclipsing radio millisecond pulsar and a low-mass X-ray binary. We present a multi-wavelength observational campaign of PSR J1023+0038 in its most recent low-mass X-ray binary state. Two long XMM-Newton observations reveal that the system spends ~70% of the time in a $\approx$$3 imes10^{33}$ erg/s X-ray luminosity mode, which, as shown in Archibald et al. (2014), exhibits coherent X-ray pulsations. This emission is interspersed with frequent lower flux mode intervals with $\approx$$5 imes 10^{32}$ erg/s and sporadic flares reaching up to $\approx$$10^{34}$ erg/s, with neither mode showing significant X-ray pulsations. The switches between the three flux modes occur on timescales of order 10 s. In the UV and optical, we observe occasional intense flares coincident with those observed in X-rays. Our radio timing observations reveal no pulsations at the pulsar period during any of the three X-ray modes, presumably due to complete quenching of the radio emission mechanism by the accretion flow. Radio imaging detects highly variable, flat-spectrum continuum emission from PSR J1023+0038, consistent with an origin in a weak jet-like outflow. Our concurrent X-ray and radio continuum data sets do not exhibit any correlated behavior. The observational evidence we present bears qualitative resemblance to the behavior predicted by some existing propeller and trapped disk accretion models although none can fully account for all aspects of the rich phenomenology of this system.

연구 동기 및 목표

• PSR J1023+0038의 저질량 X선 이중성 상태에서의 응축 역학을 이해하기 위해, 라디오 펄서와 X선 이중성 상태 사이를 전환하는 희귀한 전이 시스템을 대상으로 한다.
• 일관된 펄세이션과 플레어를 포함한 빠른 X선 복사율 변동성의 기원을 조사하고, 이들이 라디오 및 가시광선 활동과 어떻게 연결되어 있는지 탐구한다.
• 관측된 X선 및 라디오 거동가 기존의 프로펠러 또는 갇힌 디스크 응축 이론 모델과 일치하는지 판단한다.
• 자기권 불안정성 또는 디스크 변형이 일시적인 응축 플레어를 유도하는 데 기여하는지 평가한다.
• 강한 자기장 시스템에서 중성자별의 자전 속도 진화와 응축 토크 메커니즘에 대한 장기적 영향을 평가한다.

제안 방법

• XMM-Newton X선 관측을 통한 동시 측정을 통해 $3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$ 상태에서 복사율 모드와 일관된 X선 펄세이션을 확인한다.
• X선 활동과 동시에 일치하는 플레어를 식별하기 위해 동시 우주선 및 가시광선 광도 측정을 수행한다.
• 다양한 X선 상태에서 1.7 ms 주기의 펄세이션을 탐색하기 위해 라디오 타이밍 관측을 실시한다.
• 약한 제트 유사 외부 흐름을 암시하는 평탄한 스펙트럼 연속 방출을 감지하고 특성화하기 위해 라디오 이미징 데이터를 확보한다.
• 동시 X선 및 라디오 광도 곡선을 분석하여 두 대역 간의 상관된 변동성을 테스트한다.
• 관측 결과를 프로펠러 및 갇힌 디스크 응축 모델의 예측과 비교하여 모델의 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR J1023+0038에서 관측된 빠른 빈도의 X선 복사율 상태 간 전환은 무엇을 원인으로 하고 있으며, 이는 응축 물리학과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 왜 일관된 X선 펄세이션이 오직 $3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$ 모드에서만 관측되며, 낮은 모드에서는 펄세이션이 없을 경우 응축 유량 기하학에 대해 무엇을 암시하는가?
• RQ3 최대 $10^{34}$ erg s$^{-1}$에 이르는 일시적인 X선 플레어의 기원은 무엇이며, 이는 디스크 불안정성 또는 자기권 붕괴와 관련이 있는가?
• RQ4 모든 X선 모드 동안 감지되지 않는 라디오 펄세이션은 무엇을 의미하며, 변동성이 있는 평탄한 스펙트럼의 라디오 방출은 제트 형성에 대해 무엇을 암시하는가?
• RQ5 기존의 응축 모델—예를 들어 프로펠러 또는 갇힌 디스크 모델—이 시스템의 전체 현상학을 얼마나 잘 설명하는가?

주요 결과

• 시스템은 약 70%의 시간 동안 일관된 X선 펄세이션을 보이는 안정적인 $3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$ X선 복사율 모드에 머무른다.
• X선 펄세이션이 없는 짧은 기간 동안의 빈번한 간격이 $5\times10^{32}$ erg s$^{-1}$ 복사율에서 관측되며, 이는 응축하지 않거나 극도로 파손된 응축 상태를 암시한다.
• 일시적인 플레어는 최대 $10^{34}$ erg s$^{-1}$에 이르며, 펄세이션이 관측되지 않아 불안정하거나 일시적인 응축 과정을 나타낸다.
• 모든 X선 모드 동안 1.7 ms 주기에서의 라디오 펄세이션은 탐지되지 않았으며, 이는 응축 유량이 라디오 방출 메커니즘을 억제하기 때문일 것이다.
• 라디오 이미징은 변동성이 크고 평탄한 스펙트럼의 연속 방출을 확인하였으며, 이는 약한 주기적 제트 유사 외부 흐름을 암시한다.
• X선 및 라디오 연속 광도 곡선 간에 유의미한 상관관계가 관측되지 않아 두 대역 간의 변동성이 분리되어 있음을 나타낸다.