[论文解读] X-ray Search for Axions from Nearby Isolated Neutron Stars

Malte Buschmann, Raymond T. Co+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本研究通过轴子-光子转换机制，在附近孤立中子星（即‘壮丽七人组’）的磁场中搜寻轴子产生的硬X射线辐射。利用档案中的XMM-Newton和Chandra数据，该研究对轴子-光子耦合常数和轴子-核子耦合常数设定了迄今为止最强的约束，适用于轴子质量低于~10⁻⁴ eV的情况，同时识别出一个可能的硬X射线超额，或暗示轴子辐射的存在。

ABSTRACT

Axions may be produced thermally inside the cores of neutron stars (NSs), escape the stars due to their weak interactions with matter, and subsequently convert into X-rays in the magnetic fields surrounding the NSs. We perform a hard X-ray search from 2 - 8 keV arising from this emission mechanism from the nearby Magnificent Seven isolated NSs using archival XMM-Newton and Chandra data. These NSs are unique in that they have only been detected in the UV and soft X-ray bands; their observed fluxes are thought to arise from thermal emission at temperatures ~100 eV from the NS surfaces. We use the X-ray datasets to set the strongest limits to-date on the product of the axion-photon and axion-nucleon couplings for axion masses below ~$10^{-4}$ eV. Moreover, we interpret an observed excess of hard X-rays from the Magnificent Seven in the context of the axion model, and we discuss possible future measurements to help rule out or confirm this possibility.

研究动机与目标

• 检验轴子在中子星核心热产生后，可在其磁场中转换为X射线的假设。
• 解决尽管理论预测轴子辐射存在，但孤立中子星中尚未检测到硬X射线的矛盾。
• 利用对‘壮丽七人组’中子星的高灵敏度X射线观测，改进轴子耦合常数的约束。
• 评估在这些源中观测到的硬X射线超额是否可由轴子-光子转换机制解释。

提出的方法

• 分析‘壮丽七人组’中子星在2–8 keV能量段的档案XMM-Newton和Chandra X射线观测数据。
• 应用谱拟合技术，搜寻超出预期热软X射线和紫外辐射通量的超额发射。
• 将轴子辐射建模为轴子在中子星核心产生后，在外部磁场中转换为光子的结果。
• 使用理论轴子-光子耦合和轴子-核子耦合参数，预测X射线通量，并与观测数据进行比较。
• 通过显著性检验评估观测通量与标准热辐射模型相比，与轴子诱导辐射的兼容性。
• 通过比较预测与观测的X射线通量，推导出轴子-光子和轴子-核子耦合常数的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星磁场中的轴子-光子转换是否能在2–8 keV范围内产生可探测的硬X射线辐射？
• RQ2 基于当前对孤立中子星的X射线观测，轴子-光子和轴子-核子耦合常数的最强约束是什么？
• RQ3 ‘壮丽七人组’中观测到的硬X射线超额是否与轴子辐射起源一致？
• RQ4 当前X射线数据与仅包含热辐射模型的预测相比，与包含轴子辐射的模型相比如何？
• RQ5 未来哪些观测或数据最能有效证实或排除观测到的X射线超额的轴子假说？

主要发现

• 本研究对轴子质量低于~10⁻⁴ eV的轴子-光子和轴子-核子耦合常数乘积设定了迄今为止最强的上限。
• 在‘壮丽七人组’的大多数源中未发现显著超额，从而可对轴子耦合常数设定稳健的上限。
• 在‘壮丽七人组’的联合数据中观测到一个边缘性的硬X射线超额，可能与轴子辐射一致，但需进一步确认。
• 在大多数情况下，观测到的X射线通量与标准热辐射模型一致，但2–8 keV波段的超额仍无法用已知天体物理过程解释。
• 结果表明，未来具有更高灵敏度和能量分辨率的X射线任务可明确检验轴子假说。
• 所得约束与其它天体物理和实验室限制具有可比性，进一步支持通过中子星观测探测轴子的可能性。