[論文レビュー] The X-ray luminosity of rotation-powered neutron stars

W. Becker, J. Tr|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 74

ひとこと要約

本稿では、27体の回転駆動中性子星におけるX線輝度（L_X）と回転エネルギー損失率（Ė）の間にきわめて強い相関が確認され、X線放射の大部分が回転エネルギーによって駆動される磁気圏過程に起因していることを示している。観測されたパワーレイトスピークトルおよび顕著な固有散乱の欠如は、共回転磁気圏放射メカニズムを支持しており、3つの中年齢パルサーが追加の熱的表面放射成分を示しているにとどまる。

ABSTRACT

As a result of recent observations with ROSAT and ASCA the number of rotation-powered pulsars seen at X-ray energies has increased substantially. In this paper we review the phenomenology of the observed X-ray emission properties. At present 27 pulsars are detected, representing a wide range of ages (10^3 - 7 x 10^9 yrs), magnetic field strength (10^8 - 10^13 G) and spin periods (1.6 - 530 ms). Despite these dispersions in parameters all pulsars show an X-ray luminosity closely correlated with the rotational energy loss. This suggests that most of the observed X-rays are produced by magnetospheric emission originating from the co-rotating magnetosphere. Only for three middle aged pulsars (PSR 0656+14, Geminga and PSR 1055-52) and probably for the Vela-pulsar an additional thermal component is detected which can be attributed to thermal emission from the neutron stellar surface.

研究の動機と目的

• 最新のROSATおよびASCA観測を用いて、回転駆動中性子星におけるX線放射の物理的起源を調査すること。
• X線輝度が主に回転エネルギー損失によって駆動されているのか、それとも他のメカニズム（例：熱的表面放射）によって駆動されているのかを特定すること。
• 観測されたX線スペクトルを形作る磁気圏、風、およびネビュラ放射成分の相対的寄与を評価すること。
• ミリ秒パルサーおよびより古いフィールドパルサーを含む異なるパルサー集団において、L_X ∝ Ė の相関が一貫しているかどうかを検討すること。
• 磁場強度、周期、特徴的年齢がX線出力および放射メカニズムを支配する役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• ROSATおよびASCAデータを用いてX線で検出された27体の回転駆動パルサーのサンプルを編成し、測定された周期、周期微分、吸収列密度を収集した。
• X線光 light curve およびスペクトルを分析して、パルス放射、パワーレイト（pwl）またはブラックボディ（bb）成分、およびネビュラ寄与を特定した。
• X線輝度（L_X）と回転エネルギー損失率（Ė）の関係をプロットし、L_X ∝ Ė の相関を検証した。
• 標準的な磁気的ブレーキングモデルを用いて特徴的年齢（τ = P / 2Ṗ）および極磁場強度（B⊥ ∝ (PṖ)1/2）を導出した。
• パワーレイト（pwl）、ブラックボディ（bb）、および組み合わせ（bb + pwl）のスペクトルモデルをフィットして、磁気圏放射と熱的放射成分を区別した。
• 共回転磁気圏放射（L_X ∝ B⊥²Ω⁴）およびライトシリンダー放射（L_X ∝ B⊥⁵Ω¹¹）からの理論的期待値と観測されたL_X値を比較し、放射源の位置を制限した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転駆動パルサーのX線輝度は、主に回転エネルギー損失によって駆動されているか？
• RQ2 観測されたX線放射の主な放射メカニズム（磁気圏対比・熱的表面対比・風／ネビュラ）は何か？
• RQ3 パルサーの年齢、磁場、周期に応じて、X線スペクトル特性（例：パワーレイト対比・ブラックボディ）はどのように変化するか？
• RQ4 ミリ秒パルサーは、若年齢・高Ėパルサーと同一のL_X ∝ Ė 関係に従うか？ これは、共通の放射メカニズムを示唆するか？
• RQ5 観測されたL_XとĖの相関は、共回転磁気圏プロセスによって説明可能か？ それとも、ライトシリンダー近傍の放射を必要とするか？

主な発見

• 27体の回転駆動パルサーにおいて、X線輝度（L_X）と回転エネルギー損失率（Ė）の間に強い相関が観測され、線形関係 L_X ∝ Ė が成立する。
• 大部分のパルサーがE ≥ 0.5 keVのパワーレイトスペクトルを示しており、非熱的磁気圏放射が主なメカニズムであることを示している。
• 3体の中年齢パルサー（PSR 0656+14、Geminga、PSR 1055-52）およびおそらくVelaパルサーに、追加の熱的成分の兆候が認められ、中性子星表面からの放射に起因するとされる。
• X線効率（L_X / Ė）はサンプル全体で著しく一定であり、最小限の固有散乱を示しており、安定的かつ普遍的な放射プロセスであることを示唆している。
• 相関 L_X ∝ Ė は、共回転磁気圏放射（L_X ∝ B⊥²Ω⁴）と整合しており、ライトシリンダー近傍の放射（L_X ∝ B⊥⁵Ω¹¹）とは整合しない。これは、高次の角周波数依存性を必要としないことを示している。
• ミリ秒パルサーで、長周期および低Ėにもかかわらず、若年齢パルサーと同一のL_X ∝ Ė 関係に従う。これは、X線放射の共通の磁気圏的起源を支持する。