[論文レビュー] Spectral monitoring of RX J1856.5-3754 with XMM-Newton. Analysis of EPIC-pn data

N. Sartore, A. Tiengo+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 30被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、孤立中性子星RX J1856.5-3754のXMM-Newton EPIC-pnデータを10年間分析し、観測されたスペクトルの変動は、空間的に依存するゲイン応答に起因する機器効果であることが判明した。これを補正した後、2005年以降、源は有意な長期的スペクトル的・放射率的変動（ΔkT∞ < 0.5%、ΔfX < 3%）を示さず、校正源としての安定性が裏付けられた。

ABSTRACT

Using a large set of XMM-Newton observations we searched for long term spectral and flux variability of the isolated neutron star RX J1856.5-3754 in the time interval from April 2002 to October 2011. This is the brightest and most extensively observed source of a small group of nearby, thermally emitting isolated neutron stars, of which at least one member (RX J0720.4-3125, Hohle et al., 2010) has shown long term variability. A detailed analysis of the data obtained with the EPIC-pn camera in the 0.15-1.2 keV energy range reveals small variations in the temperature derived with a single blackbody fit (of the order of 1% around kT^inf \sim 61 eV). Such variations are correlated with the position of the source on the detector and can be ascribed to an instrumental effect, most likely a spatial dependence of the channel to energy relation. For the sampled instrumental coordinates, we quantify this effect as variations of \sim 4% and \sim 15 eV in the gain slope and offset, respectively. Selecting only a homogeneous subset of observations, with the source imaged at the same detector position, we find no evidence for spectral or flux variations of RX J1856.5-3754 from March 2005 to present-day, with limits of Delta kT^inf &lt; 0.5% and Delta f_X &lt; 3% (0.15-1.2 keV), with 3sigma confidence. A slightly higher temperature (kT^inf \sim 61.5 eV, compared to kT^\inf \sim 61 eV) was instead measured in April 2002. If this difference is not of instrumental origin, it implies a rate of variation \sim -0.15 eV yr^-1 between April 2002 and March 2005. The high-statistics spectrum from the selected observations is best fitted with the sum of two blackbody models, with temperatures kT_h^inf = 62.4_{-0.4}^{+0.6} eV and kT_s^\inf = 38.9_{-2.9}^{+4.9} eV, which account for the flux seen in the optical band. No significant spectral features are detected, with upper limits of 6 eV on their equivalent width.

研究の動機と目的

• XMM-Newton観測を用いて、孤立中性子星RX J1856.5-3754における長期的スペクトル的・放射率的変動を調査すること。
• 観測されたスペクトル的変動が源自体のものであるか、機器的要因に起因するかを特定すること。
• 長期間にわたるX線変動研究に用いるために、EPIC-pn機器の10年間のエネルギー応答の安定性を評価すること。
• RX J1856.5-3754の広帯域X線および光学スペクトルをフィットする二つのブラックボディモデルの妥当性を検証すること。
• 結果が中性子星の状態方程式の制約および校正基準への影響に与える意味を評価すること。

提案手法

• 2002年4月から2011年10月までの77回のXMM-Newton観測を分析し、0.15–1.2 keVエネルギー範囲のEPIC-pnデータに焦点を当てた。
• 温度と放射率の時間的変化を追跡するために、スペクトルを単一の吸収付きブラックボディモデルでフィットした。
• 源が検出器上に位置する座標とスペクトルパラメータの相関関係を用いて、EPIC-pn検出器における空間的に依存するゲイン応答を同定した。
• 機器的効果を、ゲイン勾配で約4%、オフセットで約15 eVの変動として定量化した。
• 機器的系誤差を最小限に抑えるために、源が固定された検出器位置にある均質な観測サブセットを選択した。
• 統計的精度の高い合成スペクトルを二つのブラックボディモデルでフィットし、等価幅の上限を用いてスペクトル特徴の有無を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RX J1856.5-3754で観測されたスペクトル的変動は、源自体のものであるか、機器的要因に起因するか？
• RQ2 10年間のベースラインにおいて、RX J1856.5-3754のX線放射率および温度はどの程度の長期的安定性を示すか？
• RQ3 二つのブラックボディモデルは、RX J1856.5-3754の広帯域（X線＋光学）スペクトルを適切に説明できるか？
• RQ4 EPIC-pn機器のエネルギー応答は、検出器全体でどの程度空間的に変動するか？ そして、スペクトル解析にどのように影響を与えるか？
• RQ5 源は、他のXDINS源であるRX J0720.4-3125と同様に、数年の時間スケールで変動を示すか？

主な発見

• RX J1856.5-3754で観測された見かけのスペクトル的変動は、主にEPIC-pn検出器における空間的に依存するゲイン応答に起因するものであり、源自体の変動とは無関係である。
• 機器的効果を補正した後、2005年3月から2011年までの間に有意な長期的変動は認められず、99%信頼区間でΔkT∞ < 0.5%、ΔfX < 3%であった。
• 2002年4月の観測では、平均（kT∞ ~ 61 eV）に対して高い温度（kT∞ ~ 61.5 eV）が観測されたが、これが機器的要因でなければ、約−0.15 eV yr⁻¹の内在的変化である可能性がある。
• 統計的精度の高いスペクトルは、二つのブラックボディモデルで最もよくフィットされ、それぞれの温度はkT∞,h = 62.4⁺⁰.⁶₋₀.⁴ eVおよびkT∞,s = 38.9⁺⁴.⁹₋².⁹ eVであった。
• 顕著なスペクトル特徴は検出されず、任意の狭帯域または広帯域特徴の等価幅に対して上限は約6 eVであった。
• 推定される星体半径はR∞ = 12.7⁺⁴.⁶₋⁰.² (d/120 pc) kmであり、以前の研究で得られた下限と整合的であるが、0.4 keV未満の校正不確実性に起因するものである。