[论文解读] The X-ray Pulsar M82 X-2 on its Propeller Line

Dimitris M. Christodoulou, D. Kazanas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 8

一句话总结

该论文基于两种独立的吸积理论计算，结合脉冲星自转周期、自转加速率和最小X射线亮度，论证M82 X-2是一颗典型的中子星，具有约3 TG的磁场，而非磁星。它确认该源位于接近爱丁顿极限的喷射线附近，其超爱丁顿爆发通过非各向同性辐射解释，而非极端磁场。

ABSTRACT

{\it NuSTAR} has detected pulsations from the ultraluminous X-ray source X-2 in M82 and archival {\it Chandra} observations have given us a good idea of its duty cycle. The newly discovered pulsar exhibited at least 4 super-Eddington outbursts in the past 15 years but, in its lowest-power state, it radiates just below the Eddington limit and its properties appear to be typical of high-mass X-ray binaries. M82 X-2 has been described as a common neutron star with a 1~TG magnetic field that occasionally accretes above the Eddington rate and as a magnetar-like pulsar with a 10-100~TG magnetic field that reaches above the quantum limit. We argue in favor of the former interpretation. Using standard accretion theory and the available observations, we calculate the stellar magnetic field of this pulsar in two independent ways and we show that it cannot exceed 3~TG in either case. We discuss the implications of our results for other ultraluminous X-ray sources that occasionally exhibit similar powerful outbursts.

研究动机与目标

• 解决关于M82 X-2是典型中子星还是具有超强磁场的磁星的争议。
• 基于标准吸积理论的两种独立方法，确定M82 X-2的恒星磁场强度。
• 检验该源的观测亮度和自转演化是否与接近爱丁顿极限的喷射效应一致。
• 挑战将低亮度状态归因于平静磁层辐射或Corbet间隙的解释。
• 评估该结果对其他表现出类似爆发行为的极端明亮X射线源（ULXs）的启示。

提出的方法

• 利用脉冲星的自转周期和自转加速率，计算最小各向同性X射线亮度，应用喷射线条件，即吸积盘内边缘达到同步轨道。
• 使用磁层半径公式（Ghosh & Lamb, 1979），通过吸积扭矩与自转演化之间的平衡推导磁场强度。
• 通过NuSTAR谱中的高能截止（14 keV）对磁场估计值进行交叉验证，结果与标准吸积理论一致。
• 通过识别关于吸积盘内边缘位置和质量吸积率的错误假设，弥合了先前模型中的矛盾。
• 评估了替代模型（King & Lasota 2016；Karino & Miller 2016），并表明它们无法满足喷射线条件。
• 在吸积盘内边缘应用爱丁顿吸积率，以锚定亮度和磁场强度的估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 X射线脉冲星M82 X-2的真实磁场强度是多少？其结果是否支持磁星类或普通中子星的解释？
• RQ2 M82 X-2的观测亮度演化是否与接近爱丁顿极限的喷射效应一致？
• RQ3 M82 X-2的低亮度状态能否如先前所建议的那样，由平静磁层辐射或Corbet间隙状态解释？
• RQ4 基于自转演化和谱截止的两种独立磁场估计值如何比较？它们对源的吸积状态有何含义？
• RQ5 对于具有类似爆发行为的其他极端明亮X射线源，一个适中的磁场强度意味着什么？

主要发现

• 通过两种独立方法（自转演化和高能谱截止）得出，M82 X-2的磁场强度被限制在≤3 TG。
• 该源位于接近爱丁顿极限的喷射线上，其最低功率状态的辐射略低于L_Edd，与标准吸积理论一致。
• 观测到的超爱丁顿爆发可通过X射线辐射的非各向同性（束状辐射）解释，而非极端磁场或超爱丁顿吸积。
• 将低亮度状态解释为平静磁层辐射或Corbet间隙状态的假设与观测和理论约束不一致。
• 该模型具有鲁棒性：即使采用其他吸积率估计值，只要在吸积盘内边缘处应用爱丁顿限制吸积率，仍可得到相同的磁场估计值。
• 结果支持M82 X-2为典型的高质量X射线双星脉冲星的观点，而非奇特天体，且其他ULXs可能同样为具有束状辐射的中子星。