[论文解读] On the nature of some SGRs and AXPs as rotation-powered neutron stars

Jaziel G. Coelho, D. L. Cáceres+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出，当使用真实的中子星参数而非基准值时，九个软伽马重复暴源（SGRs）和异常X射线脉冲星（AXPs）可被解释为自转驱动的中子星。通过使用广义相对论模型计算质量、半径、转动惯量和自转能量损失，作者表明这些源在软X射线波段（2–10 keV）中满足 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $，支持其自转驱动的性质，尽管其中三个源的硬X射线辐射对这一解释构成挑战。

ABSTRACT

We investigate the possibility that some SGRs/AXPs could be canonical rotation-powered pulsars using realistic NS structure parameters instead of fiducial values. We show that realistic NS parameters lowers the estimated value of the magnetic field and radiation efficiency, $L_X/\dot{E}_{ m rot}$, with respect to estimates based on fiducial NS parameters. We show that nine SGRs/AXPs can be described as canonical pulsars driven by the NS rotational energy, for $L_X$ computed in the soft (2--10~keV) X-ray band. We compute the range of NS masses for which $L_X/\dot{E}_{ m rot}&lt;1$. We discuss the observed hard X-ray emission in three sources of the group of nine potentially rotation-powered NSs. This additional hard X-ray component dominates over the soft one leading to $L_X/\dot{E}_{ m rot}&gt;1$ in two of them. We show that 9 SGRs/AXPs can be rotation-powered NSs if we analyze their X-ray luminosity in the soft 2--10~keV band. Interestingly, four of them show radio emission and six have been associated with supernova remnants (including Swift J1834.9-0846 the first SGR observed with a surrounding wind nebula). These observations give additional support to our results of a natural explanation of these sources in terms of ordinary pulsars. Including the hard X-ray emission observed in three sources of the group of potential rotation-powered NSs, this number of sources with $L_X/\dot{E}_{ m rot}&lt;1$ becomes seven. It remains open to verification 1) the accuracy of the estimated distances and 2) the possible contribution of the associated supernova remnants to the hard X-ray emission.

研究动机与目标

• 使用真实中子星参数而非基准值，重新评估部分SGRs和AXPs是否可被解释为自转驱动的中子星。
• 利用轴对称中子星的广义相对论模型，计算自转能量损失 $ \dot{E}_{\rm rot} $ 的完整范围。
• 评估观测到的X射线辐射 $ L_X $ 是否可由自转能量损失解释，即 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $。
• 研究硬X射线辐射（20–150 keV）对部分源的自转驱动解释构成挑战的作用。
• 探索支持自转驱动模型的观测证据，如射电辐射和超新星遗迹关联。

提出的方法

• 对轴对称广义相对论平衡方程进行数值积分，以计算中子星的质量、半径、转动惯量和角动量。
• 利用观测到的 $ P $ 和 $ \dot{P} $ 计算 $ \dot{E}_{\rm rot} = -4\pi^2 I \dot{P}/P^3 $，其中 $ I $ 由真实NS结构得出。
• 使用广义相对论旋转磁偶极子模型估算表面磁场。
• 将2–10 keV波段的 $ L_X $ 与 $ \dot{E}_{\rm rot} $ 进行比较，以判断是否满足 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $，从而指示其为自转驱动。
• 在三个源中纳入硬X射线辐射（20–150 keV），以评估其对 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} $ 比值的影响。
• 计算跳变引起的自转能量增加 $ \Delta E_{\rm rot} $ 的下限，以检验其是否能解释观测到的爆发能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用真实中子星参数而非基准值时，SGRs和AXPs是否可被解释为自转驱动的中子星？
• RQ2 在何种质量范围内，$ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $ 成立，表明自转能量可驱动X射线辐射？
• RQ3 硬X射线辐射（20–150 keV）如何影响选定源的 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} $ 比值？
• RQ4 观测到的爆发能量是否可由跳变期间的自转能量增加解释？
• RQ5 哪些观测证据（如射电辐射、SNR关联）支持自转驱动的解释？

主要发现

• 当 $ L_X $ 在软X射线波段（2–10 keV）内计算时，九个SGRs和AXPs满足 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $，支持其被归类为自转驱动中子星。
• 包含硬X射线辐射（20–150 keV）后，SGR 1900+14的 $ L_X $ 增加至最多5倍，SGR 1806–20增加至最多4倍，导致 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} > 1 $，对这两个源的自转驱动解释构成挑战。
• 在潜在的自转驱动组中（SGR J1745–2900、1E 1547.0–5408、SGR 0501+4516），仅1E 1547.0–5408在计入硬X射线辐射后仍满足 $ L_X / \dot{E}_{\rm rot} < 1 $。
• 九个源的观测爆发能量可由跳变期间的自转能量增加解释，计算得到的物理上合理的 $ |\Delta P|/P $ 值作为下限。
• 九个自转驱动候选源中有四个表现出射电辐射，这是普通脉冲星的典型特征，为自转驱动模型提供了额外支持。
• 九个源中有六个与超新星遗迹相关联，进一步支持其为中子星且与自转驱动起源一致。