[論文レビュー] Further investigation of MHD Alfven wave oscillation model for kHz QPOs

Chengmin Zhang|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2004

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、中性子星X線連星におけるkHz帯準周期的振動（QPO）を説明するため、MHDアルフェン波振動モデルを拡張する。最大の上位および下位kHz QPO周波数が約1300 Hzで一致し、最大QPO周波数と二重QPO周波数差の理論的周波数比は3.2であるが、観測平均値の3.4に近く一致する。モデルは中性子星の質量-半径関係を制約し、磁気圏のコリレーション半径が星体半径のおよそ2倍であることを示唆し、Z源では約10⁹ G、Atoll源では約10⁸ Gの磁場を示す。

ABSTRACT

Based on the MHD Alfven wave oscillation model for the kHz quasi periodic oscillation (QPO), we investigate the comparisons between the model and the four sample sources, Sco X-1, 4U1608$-$52, 4U1735-44 and 4U1728$-$34, and obtained that the maximum upper and lower kHz QPO frequencies coincide and occur at about 1300 Hz. Moreover, the theoretical ratio between the maximum kHz QPO frequency and the maximum twin kHz QPO separation is about 3.2, which is close to the detected average value 3.4. Nonetheless, the neutron star (NS) mass-radius relation can be constrained by the simultaneously detected twin kHz QPO frequencies through the model. The implied NS magnetosphere corotation radii are homogeneous and about twice of star radii for the Z and Atoll sources, which results in the magnetic field strengths of stars in Z (Atoll) sources are about $10^{9}$ ($10^{8}$) Gauss. Furthermore, some theoretical expectations on SAX J1808.4-3658 are proposed, such as, its highest kHz QPO frequency 833 Hz, which needs the observational confirmation.

研究の動機と目的

• 4つのX線連星源における観測されたkHz QPOに、MHDアルフェン波振動モデルを適用する。
• モデルが同時に検出された二重kHz QPOとその周波数差を説明できるかを検証する。
• 同時に検出された二重kHz QPO周波数を用いて、中性子星の質量-半径関係を制約する。
• QPOデータから、コリレーション半径や磁場強度を含む中性子星磁気圏の性質を推定する。
• SAX J1808.4-3658のような未確認の源について、予測される最高QPO周波数が833 Hzであると予測する。

提案手法

• MHDアルフェン波振動モデルを、Sco X-1、4U1608−52、4U1735−44、4U1728−34の4つのkHz QPO源に適用する。
• 磁化された中性子星降着流における波の伝播に関するモデルの物理的制約から、kHz QPO周波数とその差の理論的予測を導出する。
• 中性子星の質量-半径関係と磁場強度を用いて、磁気圏のコリレーション半径を決定する。
• 理論的周波数比を観測平均値と比較し、モデルの妥当性を検証する。
• 予想されるコリレーション半径と星体半径から、磁場強度を推定する。
• SAX J1808.4-3658のような未確認の源について、観測されたQPOとモデルの一貫性から予測を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MHDアルフェン波モデルは、既知の源における最大観測kHz QPO周波数を正確に予測できるか？
• RQ2 最大kHz QPO周波数と最大二重kHz QPO周波数差の理論的比は何か？観測値と比較するとどうなるか？
• RQ3 同時に検出された二重kHz QPO周波数を用いて、モデルが中性子星の質量-半径関係を制約できるか？
• RQ4 Z源とAtoll源の中性子星の磁場強度は、モデルの予測に基づいてどのように推定されるか？
• RQ5 SAX J1808.4-3658に対して、特定の最高kHz QPO周波数が予測されるか？今後の観測と整合性があるか？

主な発見

• モデルが予測する最大の上位および下位kHz QPO周波数は、約1300 Hzで一致する。
• 最大kHz QPO周波数と最大二重kHz QPO周波数差の理論的比は約3.2であり、観測平均値の3.4に近く一致する。
• 同時に検出された二重kHz QPO周波数を用いて、中性子星の質量-半径関係がモデルで制約される。
• 推定される磁気圏のコリレーション半径は一様で、Z源およびAtoll源の両方で星体半径のおよそ2倍である。
• 推定される磁場強度は、Z源の中性子星では約10⁹ガウス、Atoll源の中性子星では約10⁸ガウスである。
• モデルはSAX J1808.4-3658の最高kHz QPO周波数を833 Hzと予測しており、観測的確認が必要である。