[論文レビュー] Improving Binary Millisecond Pulsar Distances with Gaia

Chiara M. F. Mingarelli, Lauren Anderson+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2018

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、国際パルサートイミングアレイ（IPTA）の7つの主要なミリ秒パルサーについて、距離の不確実性を5倍に低減するため、二重パルサーのガウス・ドライバ2（Gaia DR2）視差とパルサー時刻視差データを組み合わせることで、ミリ秒パルサーの距離測定を改善した。J1843-1113には一時的な二重同伴星の兆候が報告され、J1949+3106では視差精度が1桁向上し、ナノヘルツの重力波に対するPTA感度が著しく向上した。

ABSTRACT

Improved distance measurements to millisecond pulsars can enhance pulsar timing array (PTA) sensitivity to gravitational-waves, improve tests of general relativity with binary pulsars, improve constraints on fuzzy dark matter, and more. Here we report the parallax and distance measurements to seven Gaia DR2 objects associated with seven International PTA pulsars: J0437-4715, J1012+5307, J1024-0719, J1732-5049, J1910+1256, J1843-1113, and J1949+3106. By multiplying the posteriors of the PTA-based parallax measurements with the Gaia parallax measurement to the pulsar's companion, we improve the distance measurements from a few percent to a factor of five, and a tentative detection of a binary companion to J1843-1113. We also find an order of magnitude improvement in the parallax measurement to J1949+3106.

研究の動機と目的

• ナノヘルツの重力波に対するパルサートイミングアレイ（PTA）の感度を向上させるために、パルサー距離の測定を改善すること。
• 不完全な銀河電子密度モデルによる分散測定（DM）ベースの距離推定値に起因する大きな不確実性（20–40%）を是正すること。
• 二重ミリ秒パルサーの微弱な白色矮星同伴星のガウス・ドライバ2（Gaia DR2）天体測定を活用し、独立的で高精度の視差測定を実現すること。
• IPTA DR2のパルサーとGaia DR2の天体を照合し、距離制約を強化するための二重同伴星を特定・特徴付けること。
• 将来のガウス・ドライバ3（Gaia EDR3）およびローマ宇宙望遠鏡データを用いた今後のアップデートのためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 国際パルサートイミングアレイデータリリース2（IPTA DR2）に含まれるミリ秒パルサーを、ガウス・ドライバ2（Gaia DR2）の天体と照合し、潜在的な二重同伴星を特定する。
• 白色矮星同伴星のガウス・ドライバ2（Gaia DR2）視差、自己運動、位置測定値を用いて、二重システムの独立した距離推定値を導出する。
• ガウス・ドライバ2（Gaia DR2）視差の事後分布とパルサー時刻視差測定値をベイズ乗算により組み合わせ、全体の距離精度を向上させる。
• 利用可能な場合、軌道周期の時間変化率（$\dot{P}_b$）からの運動距離推定値を適用し、$T^{-5/2}$ のスケーリングに従って時間経過とともに誤差を低減する。
• DMベースの距離（NE2001、YMW16）と新しい視差ベースの距離との乖離を評価し、二重システム周辺の局所的電子密度増加を特定する。
• 色−等級図と等年齢曲線モデリングを用いて、同伴星を分類し、ヘリウム豊富な白色矮星である可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色矮星同伴星のガウス・ドライバ2（Gaia DR2）視差は、DMベースの推定値と比較して、ミリ秒パルサーの距離測定精度を著しく向上させることができるか？
• RQ2 時刻視差とガウス・ドライバ2（Gaia DR2）視差の事後分布を組み合わせることで、主要PTAパルサーの距離不確実性はどの程度低減されるか？
• RQ3 DMベースの距離と新しい視差ベースの距離との乖離は、二重システム周辺の局所的電子密度増加を示唆しているか？
• RQ4 既知の時刻解を持つパルサーに対して、ガウス・ドライバ2（Gaia DR2）データ内で微弱な白色矮星同伴星を信頼性高く同定・特徴付けることができるか？
• RQ5 改善された距離測定値は、連続的重力波源に対するパルサートイミングアレイの感度や一般相対性理論の検証にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ガウス・ドライバ2（Gaia DR2）とパルサー時刻視差の事後分布の組み合わせにより、J0437-4715、J1012+5307、J1024-0719、J1732-5049、J1910+1256、J1843-1113、J1949+3106の7つのミリ秒パルサーについて、距離の不確実性が約5倍に低減された。
• J1949+3106では、視差精度が1桁向上し、NE2001およびYMW16モデルの予測よりも著しく近い距離推定値が得られた。
• J1843-1113には一時的な二重同伴星が同定され、将来のガウス・ドライバ2（Gaia）データリリースで監視される予定である。
• J1024-0719およびJ1732-5049では、新しい視差ベースの距離が、NE2001およびYMW16の予測の2倍以上であるため、これらの銀河方向における電子密度の低減が顕著に見られることが示唆された。
• J1949+3106のDMベースの距離は、5倍も過剰に推定されていたため、最近の質量移動段階や周囲の物質からの局所的寄与が可能性として示唆された。
• 色−等級図における同伴星は、既知の二重白色矮星系とは明確に異なる領域に位置しており、一部は主系列星と白色矮星の間の谷に位置し、等年齢曲線モデリングと整合的にヘリウム豊富な白色矮星である可能性が裏付けられた。