[論文レビュー] Millihertz Quasi-periodic Oscillations in 4U 1636-536: Putting Possible Constraints on the Neutron Star Size

H. Stiele, Wenfei Yu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 64被引用数 18

ひとこと要約

本研究は、XMM-Newtonデータを用いて、中性子星LMXB 4U 1636−53におけるミリヘルツ準周期的振動（mHz QPOs）を分析し、振動が表面の空間的に局在した熱放射に起因することを明らかにした。温度変動やディスク不安定性によるものではない。最大のブラックボディ放射面積（R²_BB = 216.7⁺⁹³.²₋₈₆.⁴ km²）は、中性子星半径の下限が11.0 km以上であることを示し、小半径を予測する状態方程式を除外する。

ABSTRACT

Based on previous studies of quasi-periodic oscillations in neutron star LMXBs, mHz quasi-periodic oscillations (QPO) are believed to be related to `marginally stable' burning on the neutron star (NS) surface. Our study of phase resolved energy spectra of these oscillations in 4U 1636-53 shows that the oscillations are not caused by variations in the blackbody temperature of the neutron star, but reveals a correlation between the change of the count rate during the mHz QPO pulse and the spatial extend of a region emitting blackbody emission. The maximum size of the emission area $R^2_{\mathrm{BB}}=216.7^{+93.2}_{-86.4}$km$^2$, provides the direct evidence that the oscillations originate from a variable surface area constrained on the NS and are therefore not related to instabilities in the accretion disk. The obtained lower limit on the size of the neutron star (11.0 km) rules out equations of state that prefer small NS radii. Observations of mHz QPOs in NS LMXBs with NICER and eXTP will reduce the statistical uncertainty in the lower limit on the NS radius, which together with better estimates of the hardening factor and distance, will allow improving discrimination between different equations of state and compact star models. Furthermore, future missions will allow us to measure the peak blackbody emission area for a single mHz QPO pulse, which will push the lower limit to larger radii.

研究の動機と目的

• 4U 1636−53におけるmHz QPOの物理的起源を特定すること。
• mHz QPOが表面核燃焼に起因するか、ディスク不安定性に起因するかを検証すること。
• 位相分解X線スペクトル解析を用いて中性子星半径に制約を加えること。
• 中性子星の状態方程式およびコンパクト天体モデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• 4U 1636−53のXMM-Newton EPIC/pnタイムモード観測を分析した。
• 光度曲線とPDSを用いて、mHz QPOサイクルにわたる位相分解エネルギースペクトルを抽出した。
• スペクトルにブラックボディモデルをフィットし、位相ごとの顕著な放射面積を測定した。
• 最大放射面積を用いて、中性子星半径の下限を推定した。
• 距離、硬化係数、コンパクトネスの不確実性を半径推定に組み込んだ。
• NICERおよびeXTPの将来の観測による制約の予測を、スペクトルおよびタイム解析分解能の向上に基づいて行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4U 1636−53におけるmHz QPOは、中性子星表面での温度変動によるものか、放射面積の変化によるものか？
• RQ2 観測されたmHz QPOは、中性子星表面でのわずかに安定した核燃焼によって説明可能か？
• RQ3 観測されたmHz QPOの最大放射面積から、中性子星半径にどの程度の下限を導出できるか？
• RQ4 距離および硬化係数の不確実性が半径制約に与える影響は何か？
• RQ5 NICERおよびeXTPなどの将来のミッションで、半径の精度がどの程度向上するか？

主な発見

• 4U 1636−53におけるmHz QPOsは、全体的な表面温度の振動によるものではなく、時間的に変化するブラックボディ放射面積に起因する。
• 最大の顕著なブラックボディ放射面積はR²_BB = 216.7⁺⁹3.²₋₈6.⁴ km²であり、2σ信頼水準で中性子星半径の下限が11.0 kmに相当する。
• 中性子星半径の下限は、小半径を予測する状態方程式（例えば、奇妙クォーク物質を支持するもの）を除外する。
• mHz QPOサイクルを通じて内側ディスク半径は一定であり、内側ディスク温度の変化は無視できるほど小さいため、ディスク不安定性が原因である可能性は低い。
• NICERおよびeXTPの将来的な観測により、半径下限の統計的不確実性はそれぞれ約0.3 kmおよび約0.15 kmにまで低下すると予想される。
• 1つのmHz QPOパルスのピーク放射面積を測定することで、より大きな半径の下限を示す可能性がある。