[论文解读] A New Determination of the Spectra and Luminosity Function of Gamma-Ray Millisecond Pulsars

Ilias Cholis, Dan Hooper+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 21

一句话总结

本研究分析了费米伽马射线空间望远镜5.6年的数据，以确定61颗毫秒脉冲星（MSPs）的伽马射线能谱和亮度函数，发现大多数MSPs具有幂律谱并伴有指数截断，峰值位于1–2 GeV。亮度函数在10³²–10³⁴ erg/s附近达到峰值，表明少数明亮MSPs主导了总通量，且伽马射线辐射的束状性弱于X射线辐射，支持外间隙或槽隙辐射模型，而非极帽模型。

ABSTRACT

In this article, we revisit the gamma-ray emission observed from millisecond pulsars and globular clusters. Based on 5.6 years of data from the Fermi Gamma-Ray Space Telescope, we report gamma-ray spectra for 61 millisecond pulsars, finding most to be well fit by a power-law with an exponential cutoff, producing to a spectral peak near ~1-2 GeV (in $E^2 dN/dE$ units). Additionally, while most globular clusters exhibit a similar spectral shape, we identify a few with significantly softer spectra. We also determine the gamma-ray luminosity function of millisecond pulsars using the population found in the nearby field of the Milky Way, and within the globular cluster 47 Tucanae. We find that the gamma-ray emission observed from globular clusters is dominated by a relatively small number of bright millisecond pulsars, and that low-luminosity pulsars account for only a small fraction of the total flux. Our results also suggest that the gamma-ray emission from millisecond pulsars is more isotropic and less strongly beamed than the emission at X-ray wavelengths. Furthermore, the observed distribution of apparent gamma-ray efficiencies provides support for the slot gap or the outer gap models over those in which the gamma-ray emission originates from regions close to the neutron star's magnetic poles (polar cap models).

研究动机与目标

• 利用扩展的费米数据，确定毫秒脉冲星的伽马射线能谱和亮度函数。
• 评估伽马射线辐射的束状特性相对于X射线辐射的特性。
• 基于观测到的能谱和亮度分布，评估不同辐射模型（如外间隙、槽隙、极帽）的可行性。
• 研究球状星团中的伽马射线辐射是否主要由少数明亮MSPs主导，还是由大量低亮度源组成。
• 检查伽马射线辐射效率的分布及其对脉冲星辐射机制的启示。

提出的方法

• 使用指数抑制幂律模型拟合61颗MSPs的伽马射线能谱：dN/dE ∝ E^−α exp(−E/E_cut)。
• 对16个高显著性球状星团和36个单独星团进行堆叠谱分析，以推导集体谱形。
• 利用观测通量和距离，推导银河系场星域MSPs的伽马射线亮度函数（LdN/dL）。
• 应用经验的X射线与伽马射线亮度相关性，估算球状星团47 Tucanae中的伽马射线亮度函数。
• 将观测到的能谱和亮度分布与理论辐射模型（槽隙、外间隙、极帽）的预测进行比较。
• 分析谱参数（α, E_cut）、亮度、距离、周期、年龄和银纬之间的相关性，以检验系统性趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 绝大多数毫秒脉冲星的伽马射线能谱形状如何？其峰值能量位于何处？
• RQ2 球状星团的总伽马射线通量在单个MSP之间如何分配——是由少数明亮源主导，还是由大量暗淡源组成？
• RQ3 MSPs的伽马射线辐射是否比X射线辐射更接近各向同性？这对辐射束状性有何含义？
• RQ4 观测到的伽马射线辐射效率分布是否更支持外间隙或槽隙模型，而非极帽模型？
• RQ5 球状星团中的MSPs与场星域中的MSPs在能谱上是否存在差异？这可能暗示星团中存在其他来源吗？

主要发现

• 61颗MSPs的伽马射线能谱最符合指数抑制幂律模型，在E²dN/dE单位下峰值位于1–2 GeV，堆叠谱为dN/dE ∝ E^−1.57 exp(−E/3.78 GeV)。
• 银河系场MSPs及47 Tucanae中MSPs的亮度函数在L ∼ 10³²–10³⁴ erg/s（>0.1 GeV）附近达到峰值，且存在延伸至L > 10³⁵ erg/s的尾部。
• 球状星团的总伽马射线通量主要由少数几颗明亮MSPs主导，低亮度脉冲星对总通量贡献甚微。
• MSPs的伽马射线辐射束状性弱于X射线辐射，表明辐射区域更大或辐射模式更接近各向同性。
• 观测到的表观伽马射线辐射效率分布更支持槽隙或外间隙模型，而非极帽模型，因为后者预测了不同的亮度-能谱相关性。
• 未观测到具有硬谱指数（α > −0.5）或极软谱（Lγ < 10³³.⁵ erg/s且α < −2.2）的MSPs，表明当前星表中缺乏此类源。