[论文解读] Long-Term Radio Timing Observations of the Transition Millisecond Pulsar PSR~J1023+0038

Anne M. Archibald, V. M. Kaspi+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 45

一句话总结

本研究基于对过渡毫秒脉冲星 PSR J1023+0038 四年的射电测时观测，揭示了复杂行为，包括可变掩食、色散量变化以及轨道周期调制。作者将这些现象解释为非致密伴星磁活动的证据，挑战了传统演化模型中该伴星应为非磁性的预测，并发现 $3.7\sigma$ 的自转调制证据，支持伽马射线辐射源自脉冲星本身。

ABSTRACT

The radio millisecond pulsar PSR J1023+0038 exhibits complex timing and eclipse behavior. Here we analyze four years' worth of radio monitoring observations of this object. We obtain a long-term timing solution, albeit with large residual timing errors as a result of apparent orbital period variations. We also observe variable eclipses when the companion passes near our line of sight, excess dispersion measure near the eclipses and at random orbital phases, and short-term disappearances of signal at random orbital phases. We interpret the eclipses as possibly due to material in the companion's magnetosphere supported by magnetic pressure, and the orbital period variations as possibly due to a gravitational quadrupole coupling mechanism. Both of these mechanisms would be the result of magnetic activity in the companion, in conflict with evolutionary models that predict it should be fully convective and hence non-magnetic. We also use our timing data to test for orbital and rotational modulation of the system's $γ$-ray emission, finding no evidence for orbital modulation and $3.7σ$ evidence for modulation at the pulsar period. The energetics of the system make it plausible that the $γ$-ray emission we observe is entirely from the millisecond pulsar itself, but it seems unlikely for these $γ$-rays to provide the irradiation of the companion, which we attribute instead to X-ray heating from a shock powered by a particle wind.

研究动机与目标

• 利用四年的射电观测，表征过渡毫秒脉冲星 PSR J1023+0038 的长期测时行为。
• 研究系统中可变掩食、色散量变化及轨道周期变化的成因。
• 利用改进的测时解，检验系统伽马射线辐射中是否存在轨道周期与自转周期调制。
• 评估观测现象对双星演化模型的影响，特别是针对低质量、完全对流伴星的磁活动问题。
• 为系统再次进入吸积状态时提供一个详细的参考状态，以供比较。

提出的方法

• 使用四种不同仪器开展长期射电测时观测：阿雷西博望远镜、绿岸望远镜、威斯特博克综合孔径射电望远镜和洛弗尔望远镜。
• 采用相干去色散与 PSRFITS 格式折叠，生成多个观测波段的高保真度脉冲轮廓。
• 尽管存在明显的轨道周期变化导致较大残差测时误差，仍成功生成长期测时解。
• 分析掩食行为，包括深度与持续时间的可变性，并将其与轨道相位及色散量变化相关联。
• 将射电测时解与费米-LAT 的伽马射线光 light curves 进行交叉相关，以搜索轨道周期与自转周期调制。
• 建立系统能量收支模型，评估伽马射线辐射是否可能加热伴星，或是否存在激波驱动的 X 射线加热更为合理。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR J1023+0038 中观测到的可变掩食由何引起？其与轨道相位及色散量变化的关系如何？
• RQ2 为何在预测为非磁性的伴星（因完全对流）系统中出现轨道周期变化？
• RQ3 PSR J1023+0038 的伽马射线辐射是否在脉冲星自转周期或轨道周期处发生调制？
• RQ4 这些观测现象能否由伴星的磁活动解释？这与标准双星演化模型如何冲突？
• RQ5 伴星受照射的主要加热机制是什么？是来自脉冲星的伽马射线，还是激波驱动风产生的 X 射线？

主要发现

• PSR J1023+0038 的长期测时解表现出较大的残差测时误差，源于明显的轨道周期变化，暗示存在未建模的动力学效应。
• 掩食在深度与持续时间上具有可变性，发生在伴星经过视线方向时，且与额外色散量相关，表明系统中存在电离物质。
• 在随机轨道相位出现短时信号消失，表明存在由非束缚等离子体引起的瞬时遮挡。
• 作者将掩食解释为伴星磁层中磁支撑物质所致，暗示其存在磁活动，与完全对流伴星的标准模型不一致。
• 轨道周期变化可能源于引力四极耦合，同样指向伴星存在磁活动。
• 费米-LAT 数据显示，伽马射线辐射在脉冲星自转周期处存在 $3.7\sigma$ 的调制证据，但无显著轨道调制，表明伽马射线极有可能源自脉冲星本身。