[논문 리뷰] Possible Fermi Detection of the Accreting Millisecond Pulsar Binary SAX J1808.4-3658

Yi Xing, Zhongxiang Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 03.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT 데이터를 사용하여, 질량을 흡수하는 밀리초 펄서 이중성 SAX J1808.4-3658에서 GeV 영역의 감마선 방출이 가능하게 탐지되었음을 보고한다. 스펙트럼 피팅 결과는 지수적 감쇠가 있는 거듭제곱 법칙과 일치한다. 궤도 조절과 X선 소스 분석을 통해 지지되는 이 탐지 결과는 펄서가 침체 상태에서 자전으로 구동된다는 것을 시사하며, 감마선 변환 효율이 63%로 매우 높아, 오래된 밀리초 펄서로서는 높은 효율을 보임을 나타낸다.

ABSTRACT

We report the Fermi Large Area Telescope (LAT) detection of a $γ$-ray source at the position of SAX J1808.4$-$3658. This transient low-mass X-ray binary contains an accreting millisecond puslar, which is only seen during its month-long outbursts and likely switches to be rotation powered during its quiescent state. Emission from the $γ$-ray source can be described by a power law with an exponential cutoff, the characteristic form for pulsar emission. Folding the source's 2.0--300 GeV photons at the binary orbital period, a weak modulation is seen (with an H-test value of $\sim$17). In addition, three sets of archival XMM-Newton data for the source field are analyzed, and we find only one X-ray source with 3--4$σ$ flux variations in the 2$σ$ error circle of the $γ$-ray source. However based on the X-ray properties, this X-ray source is not likely a background AGN, the major class of Fermi sources detected by LAT. These results support the possible association between the $γ$-ray source and SAX J1808.4$-$3658 and thus the scenario that the millisecond pulsar is rotation powered in the quiescent state. Considering a source distance of 3.5 kpc for SAX J1808.4$-$3658, the 0.1--300 GeV luminosity is 5.7$ imes 10^{33}$ erg s$^{-1}$, implying a $γ$-ray conversion efficiency of 63\% for the pulsar in this binary.

연구 동기 및 목표

• 침체 상태에서 질량을 흡수하는 밀리초 펄서인 SAX J1808.4-3658가 감마선 방출을 방출하는지 조사하기 위해.
• AMXP가 J1023+0038 및 XSS J12270-4859와 유사하게 침체 상태에서 자전으로 구동되는 방출으로 전환하는가를 검증하기 위해.
• 감마선 소스의 성격을 X선 대응체와의 교차 식별을 통해 규명하고 배경 AGN 오염을 배제하기 위해.
• 이론적 기대와 비교하여 펄서의 감마선 빛의 세기와 방출 효율을 추정하기 위해.

제안 방법

• SAX J1808.4-3658 중심의 20°×20° 영역에서 4.3년간의 페르미-LAT Pass 7 재처리 데이터를 100 MeV에서 300 GeV 에너지 범위로 분석하기 위해.
• 페르미 2FGL 및 3FGL 소스 목록을 사용한 소스 모델링으로, 5° 이내의 소스는 자유 매개변수로, 그 외는 고정된 매개변수로 설정하기 위해.
• 감마선 스펙트럼을 지수 감쇠가 있는 거듭제곱 법칙으로 피팅하여 방출 특성을 특성화하기 위해.
• 이중성 궤도 주기(2.02시간)에 따라 H-테스트를 사용해 궤도 조절을 탐색하기 위해.
• XMM-Newton X선 데이터와의 교차 식별을 통해 잠재적 대응체를 식별하고, 광도 변화 및 스펙트럼 특성에 기반해 AGN 가능성을 평가하기 위해.
• 펄서 펄스 타이밍 매개변수로부터의 자전 감쇠 빛의 세기와 3.5 kpc의 거리 정보를 사용해 감마선 빛의 세기와 변환 효율을 계산하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SAX J1808.4-3658와 관련된 유의미한 감마선 방출이 침체 상태에서 관측되었는가?
• RQ2 관측된 감마선 방출이 이중성 시스템 내 자전하는 중성자별과 일치하는 궤도 조절을 보이는가?
• RQ3 감마선 소스가 배경 AGN과 관련이 있는가, 아니면 펄서 시스템과 더 밀접하게 관련되어 있는가?
• RQ4 펄서의 감마선 빛의 세기와 방출 효율은 얼마이며, 이는 이론적 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 소스의 스펙트럼 및 시간적 행동은 침체 상태에서 자전으로 구동되는 밀리초 펄서의 시나리오를 지지하는가?

주요 결과

• SAX J1808.4-3658 위치에서 감마선 소스가 탐지되었으며, 스펙트럼 피팅 결과는 펄서 방출의 특징인 지수 감쇠가 있는 거듭제곱 법칙과 일치한다.
• H-테스트를 통해 이중성 주기에서 약한 궤도 조절이 확인되었으며, 열위 및 상위 근접 시점 근처에 두 개의 밝기 피크가 관측되었지만, 유의미성은 낮다.
• 2σ 오차 원판 내 17개의 X선 소스 중 유일하게 하나의 소스만 3–4σ의 광도 변화를 보였으며, 그 X선 특성은 배경 AGN를 배제한다.
• 0.1–300 GeV 감마선 빛의 세기는 거리 3.5 kpc에서 5.7 × 10^33 erg s⁻¹이며, 이는 감마선 변환 효율이 63%임을 시사한다.
• 높은 효율은 오래된 펄서의 '죽음선' 임계값을 초과하여, 오래된 MSP가 향상된 감마선 방출을 가질 수 있다는 아이디어를 지지한다.
• 이 탐지는 페르미 3FGL 목록에서 확인되었으며, 3FGL J1808.4-3703 소스가 감마선 소스의 최적 피팅 위치와 일치하는 위치에 위치해 있다.