[論文レビュー] Fine phase resolved spectroscopy of the X-ray emission of the Crab pulsar (PSR B0531+21) observed with BeppoSAX

E. Massaro, G. Cusumano+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2000

High-pressure geophysics and materials参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、BeppoSAXデータを用いたカブスパulsarの高分解能位相別X線分光測定を行い、メインピークと比較してインターピーク領域でスペクトル指数が約0.4硬化していることが明らかになった。位相依存スペクトル変化を説明する二成分発光モデルが提示され、一方の成分は光学的プロファイルに一致し、もう一方は位相0.4でピークを示し、光速円筒付近の相対論的歪み効果によるものとされる。

ABSTRACT

The Crab Nebula and the Pulsar have been pointed several times by the BeppoSAX satellite. We analysed all these observations, summed together, to study the main spectral properties with a good phase resolution. A new accurate estimate of the hydrogen column density in the Crab direction N_H=3.23 x 10^(21) cm^(-2) is given as derived from the analysis of the off-pulse emission at low energies. We studied the changes of the spectral index with the pulse phase and showed that in the interpeak region it is systematically harder than in the main peaks of about 0.4. We observed also a significant spectral steepening of the pulsed emission and showed that this distribution can be represented by a unique law with a linear variable log slope and apply it to the spectrum of the first peak. A two component model is proposed to explain the phase evolution of the spectrum. One component has the same profile observed in the optical while the other presents a maximum at the phase 0.4 with essentially the spectrum of the interpeak region. Two possible interpretations for the origin of the latter component are discussed.

研究の動機と目的

• BeppoSAXデータを用いてカブスパルサーの高分解能位相別X線分光測定を実施し、パルスプロファイル全域におけるスペクトル変動を研究すること。
• 低エネルギー域におけるオフパルス発光を用いて、カブスパルサー方向の水素吸収光学密度の推定値を精緻化すること。
• 特にインターピーク領域におけるエネルギー依存スペクトル変化を調査すること。
• 二成分発光モデルを用いてスペクトルの位相依存的進化をモデル化し、その物理的起源をパルサー磁気圏内でのメカニズムとして探求すること。
• 相対論的歪みと時間遅れ効果が観測されたパルスプロファイルおよびスペクトル分布をどのように形成しているかを評価すること。

提案手法

• 1996年から1998年までのBeppoSAXによるカブスパルサー観測データを統合し、合計で約300,000秒の露出時間の統計的有意性を向上させた。
• バーセントリック補正（DE200エフェマリス）を用いた位相畳み込みにより、光子の到着時刻をパルサーの回転位相に一致させた。
• LECS、MECS、HPGSPC、PDS機器の応答行列を用いて、0.1–300 keVの範囲で300個の位相チャンネルにわたるスペクトル特性を分析した。
• 位相別スペクトルをパワー法則モデルでフィットした結果、対数的勾配が連続的に傾き、線形に変化するスペクトル指数によって最もよく記述された。
• 二成分モデルを提案：一方の成分は光学的プロファイルに類似し、もう一方は位相0.4でピークを示し、インターピークに類似したスペクトルを持つ。
• 相対論的歪みと時間遅れ効果を仮定し、光速円筒付近（0.4 ≤ r ≤ 0.99 r_L）に位置する径方向で広がった領域からの発光を想定して、光子の位相分布をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブスパルサーのパルス位相全域における正確なエネルギー依存スペクトル変化、特にインターピーク領域での変化は何か？
• RQ2 スペクトル指数はどのように位相に依存し、その変化は単一の関数形で記述可能か？
• RQ3 観測されたインターピーク領域におけるスペクトル硬化の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 位相0.4でピークを示す第二成分の位相分布は、外側磁気圏における相対論的歪みと時間遅れ効果によって説明可能か？
• RQ5 二成分モデルは、パルサー磁気圏内での発光幾何学的配置と粒子加速領域にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• 4 keV未満のオフパルス発光に基づき、新たに高精度な水素吸収光学密度の推定値が得られ、$ N_{\rm H} = 3.23 \times 10^{21} \, \text{cm}^{-2} $ となった。
• インターピーク領域のスペクトル指数は、メインピークと比較して一貫して0.4程度硬く、顕著なスペクトル硬化が示された。
• パルス発光は連続的に傾きが急になるスペクトルエネルギー分布を示し、単一のパワー法則ではなく、線形に変化する対数勾配で最もよくモデル化された。
• スペクトルの位相進化は、二成分モデルによってよく再現された：一方の成分は光学的プロファイルに類似し、もう一方は位相0.4でピークを示し、インターピーク領域に類似したスペクトルを持つ。
• 第二成分の位相分布は、光速円筒付近（0.4 ≤ r ≤ 0.99 r_L）に位置する径方向で広がった領域からの発光と整合的であり、相対論的歪みと時間遅れ効果が狭く非対称なプロファイルを生成することが示された。
• モデルは第二成分が外ギャップ領域からの発光である可能性を示唆しているが、磁場強度が低いため局所的対生成が発生しないという点が、この解釈に課題を呈している。