[論文レビュー] Radioquiet isolated neutron stars: old and young, nearby and far away, dim and very dim

С. Б. Попов, A. Treves+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高衝撃速度、長期間にわたるプロペラ状態、および低効率な降着によって、電波非放射性孤立中性子星（INSs）が、特に高齢に達した際に検出が極めて困難である理由を調査している。提案される仮説では、ほとんどの近接INSは若年（≤数Myr）、低〜中質量（M < 1.35 M☉）であり、検出可能であるのは、高温でかつ約1 kpc以内に位置する場合に限る。『壮大な七人』は、こうした若年で近接し、X線で明るい冷却星の代表例である。

ABSTRACT

We briefly discuss the evolutionary path and observational appearance of isolated neutron stars (INSs) focusing on radioquiet objects. There are many reasons to believe that these sources are extremely elusive once the star surface has cooled down: their high spatial velocities, the long propeller stage and/or the very low accretion efficiency. We describe recent population synthesis models of close-by young INSs, highlighting the major difficulties encountered in the past by these simulations in reproducing the observed properties of known sources. As we show, a likely possibility is that most of the INSs in the Solar proximity are young (less than few Myrs) neutron stars born in the Gould Belt. To stay hot enough and sustain X-ray emission for a time $\approx 1$ Myr, they probably need to be low- to medium-massive, with $M$ less than$\sim 1.35 M_\odot$.

研究の動機と目的

• 高齢の電波非放射性孤立中性子星（INSs）が予想される数が多くても、観測的に極めて見つけにくい理由を説明すること。
• 理論的予測とは対照的に、観測されたINSの性質を再現できない人口合成モデルの矛盾を解消すること、特に降着による検出が見られない高齢INSの欠如に焦点を当てる。
• 『壮大な七人』—近接し、やや明るく、X線を放出するINSのグループ—の起源と検出可能性を、進化経路の分析によって明確にすること。
• 高空間速度、磁場の減衰、降着効率が、高齢INSからの検出可能なX線放射を抑制する役割を評価すること。
• 低降着率であるにもかかわらず、凝集した環境（球状星団など）において高齢INSを降着源として検出する可能性を評価すること。

提案手法

• 実際のキック速度（Arzoumanian et al. 2002 による）と銀河薄盤内での形成分布（厚さ75 pc）を用いて、10,000例以上の中性子星軌道をモンテカルロシミュレーションで再現した。
• 宇宙線間物質（ISM）密度とNS速度に基づき、降着率を推定するため、ボンデ降着率式（Ṁ ≈ 10¹¹ n / v₆³ gs⁻¹）を適用した。
• 排出、ジオロータ、プロペラ、降着の4段階の進化をモデル化し、磁気圏および重力的力学から臨界周期（P_E および P_A）を導出した。
• 排出の臨界周期（P_E ~ 10 n⁻¹/⁴ μ₃₀¹/² v₆¹/² s）とプロペラ遷移周期（P_A ~ 300 μ₃₀⁶/⁷ v₆⁹/⁷ n⁻³/⁷ s）を計算し、降着が可能になるタイミングを特定した。
• 表面温度と冷却モデルを用いてX線放射の輝度を計算し、『壮大な七人』の観測されたソフトX線輝度と比較した。
• 低速度および高速度領域における降着効率を評価し、事前加熱、MHD障壁、乱流が降着率に与える影響を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ高齢の電波非放射性孤立中性子星（INSs）は、特にX線放射によって検出が極めて困難なのか？
• RQ2 高衝撃速度、長期間のプロペラ状態、または低効率な降着といった物理的メカニズムの中で、高齢INSからの検出可能な放射を最も強く抑制するのはどれか？
• RQ3 理論的予測とは対照的に、なぜ宇宙線間物質の降着によって駆動される高齢INSは観測されていないのか？
• RQ4 『壮大な七人』—近接し、やや明るく、X線を放出するINSのグループ—の起源と検出可能性はどのように説明できるか？
• RQ5 若年で低質量のINS（M < 1.35 M☉）が主な近接対象であると仮定すれば、人口合成モデルは既知のINSの観測特性を再現できるのか？

主な発見

• ほとんどの近接INSはおそらく若年（≤数Myr）で、低〜中質量（M < 1.35 M☉）であり、このタイプの星だけが約1 Myr間、検出可能なソフトX線を発するほど高温を保っている。
• 質量が約1.35 M☉を超えるINSは急速に冷却され、約10⁵年以内に消えてしまうため、非常に若年でない限り検出不能となる。
• 高空間速度（>100 km s⁻¹）は、大多数のINSが生涯の大部分を排出またはプロペラ状態に保つのを防げず、降着を妨げる。
• 磁場がゆっくりと減衰する場合、プロペラ状態は数十億年も続く可能性があり、この段階では降着が抑制され、非常に低い輝度となる。
• 降着が開始されても、乱流、MHD効果、または事前加熱の影響により、降着率が低くなり、多くの場合、観測可能な輝度に達しない。
• 『壮大な七人』は、若年で近接（約1 kpc以内）、低質量のINSであり、まだ高温でソフトX線を放出していると最もよく説明できる。その輝度はボンデ降着推定値と整合的である。