[논문 리뷰] X-ray Counterparts of Millisecond Pulsars in Globular Clusters

W. Becker, Huang, H. H.외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 02.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 천체망원경 Chandra 자료를 이용해 은하수 병렬성 군집 내 밀리초 펄서(MSPs)의 X선 대응체를 체계적으로 분석하며, 라디오 퍼지 시간 위치와 X선 소스를 교차 비교한다. 연구 결과, 병렬성 군집 내 MSPs는 은하수 평면에 있는 필드 펄서에서 관측된 $L_X \sim 10^{-3}\dot{E}$ 관계와 일치하는 X선 휘도를 보이며, 은하수 평면과 조밀한 군집 내에서 MSPs의 X선 방출 특성에 유의미한 차이가 없음을 시사한다.

ABSTRACT

We have systematically studied the X-ray emission properties of globular cluster millisecond pulsars in order to evaluate their spectral properties and luminosities in a uniform way. Cross-correlating the radio timing positions of the cluster pulsars with the high resolution Chandra images revealed 31 X-ray counterparts identified in nine different globular cluster systems, including those in 47 Tuc. Timing analysis has been performed for all sources corresponding to the temporal resolution available in the archival Chandra data. Making use of unpublished data on M28, M4 and NGC 6752 allowed us to obtain further constraints for the millisecond pulsar counterparts located in these clusters. Counting rate and energy flux upper limits were computed for those 36 pulsars for which no X-ray counterparts could be detected. Comparing the X-ray and radio pulse profiles of PSR J1821-2452 in M28 and the 47 Tuc pulsars PSR J0024-7204D,O,R indicated some correspondence between both wavebands. The X-ray efficiency of the globular cluster millisecond pulsars was found to be in good agreement with the efficiency Lx ~ 10^-3 Edot observed in Galactic field rotation-powered pulsars. Millisecond pulsars in the galactic plane and in globular clusters appear to show no distinct differences in their X-ray emission properties.

연구 동기 및 목표

• 병렬성 군집 내 밀리초 펄서의 X선 스펙트럼 특성과 휘도를 통일된 방식으로 평가하기 위해.
• 아홉 개의 병렬성 군집 전역에서 고해상도 Chandra 관측을 통해 MSPs의 X선 대응체를 특정하고 특성화하기 위해.
• 병렬성 군집 내 MSPs의 X선 효율을 평가하고, 이를 필드 펄서와 비교하기 위해.
• 조밀한 군집 환경 내 MSPs가 은하수 평면에 있는 MSPs와 비교해 특별한 X선 방출 특성을 보이는지 조사하기 위해.
• 미검출된 펄서에 대해 X선 유속과 카운트 속도 상한을 계산하여 비검출 항목의 제약 조건을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 고해상도 Chandra X선 이미지와 MSPs의 라디오 퍼지 시간 위치를 교차 비교하여 X선 대응체를 식별하기 위해.
• 기록된 Chandra 자료를 이용해 X선 빛의 변화와 펄스 프로파일을 연구하기 위해 타이밍 분석을 수행하기 위해.
• M28, M4, NGC 6752의 미공개 자료를 활용하여 이들 군집 내 MSP 대응체에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 검출되지 않은 36개의 MSPs에 대해 카운트 속도와 에너지 유속 상한을 계산하기 위해.
• 흡수를 고려하여 열량 밀도 추정치를 사용해 스펙트럼 모델(흑체, 거듭제곱 법칙, 복합 모델)을 X선 자료에 적합시키기 위해.
• 선형 회귀 모델을 사용해 등방성 X선 휘도 $L_X$와 자화 속도 $\dot{E}$를 연관시키기 위해: $\log L_X = (14.49 \pm 4.47) + (0.48 \pm 0.11)\log\dot{E}$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 병렬성 군집 내 밀리초 펄서의 X선 스펙트럼 및 휘도 분포는 어떻게 되며, 필드 펄서와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 병렬성 군집 내 밀리초 펄서는 은하수 필드 내 펄서와 비교해 다른 X선 방출 효율을 보이는가?
• RQ3 병렬성 군집 내 MSPs에 대해 X선 휘도와 자화 속도 $\dot{E}$ 사이에 상관관계가 존재하는가, 그리고 이는 $L_X \sim 10^{-3}\dot{E}$ 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 병렬성 군집 내 MSPs의 X선 펄스 프로파일은 그들의 라디오 펄스 프로파일과 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 비검출 항목의 함의는 MSPs의 X선 효율에 어떤 영향을 미치며, 상한 값은 전체 휘도 함수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 아홉 개의 병렬성 군집 전역에서 31개의 밀리초 펄서에 대해 31개의 X선 대응체가 확인되었으며, 이는 47 Tuc와 M28를 포함한다.
• 병렬성 군집 내 MSPs의 X선 효율은 은하수 필드의 전력 기반 펄서에서 관측된 $L_X \sim 10^{-3}\dot{E}$ 관계와 일치하며, 상관계수는 0.68이다.
• PSR J1824-2452A의 경우, 2008년 Chandra 자료는 이전 자료에서 관측된 3.3 keV 선 특징을 확인하지 못했으며, 열극면 성분에 대해 $3\sigma$ 상한값으로 $1.3 \times 10^6$ K를 제공한다.
• 47 Tuc 펄서는 열모델 또는 복합 모델(흑체 + 거듭제곱 법칙)으로 가장 잘 맞으며, PSR J0024-7204O 및 R과 같은 소스에서 X선 펄스가 검출되었다.
• 은하수 평면과 병렬성 군집 내 MSPs 간의 X선 방출 특성에 유의미한 차이가 없음을 발견하여, 유사한 방출 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 병렬성 군집 내 MSPs의 $L_X$ 대 $\dot{E}$ 산점도는 더 넓은 인구 집단과 일치하며, 더 희미한 소스에서 관측된 낮은 휘도는 기울기 및 비추출 효과가 설명할 수 있음을 시사한다.