[论文解读] A NICER View of the Massive Pulsar PSR J0740+6620 Informed by Radio Timing and XMM-Newton Spectroscopy

Riley, Thomas E., Watts, Anna L.+28 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|May 14, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 166被引用 958

一句话总结

该论文通过将 NICER X 射线脉冲轮廓建模与信息丰富的射电定时先验及 XMM-Newton 光谱学相结合，对巨型毫秒脉冲星 PSR J0740+6620 的半径和质量进行贝叶斯推断。它在两个热表面区域为条件的情况下给出半径和质量的约束，并使用开源软件以实现可重复性。

ABSTRACT

We report on Bayesian estimation of the radius, mass, and hot surface regions of the massive millisecond pulsar PSR J0740$+$6620, conditional on pulse-profile modeling of Neutron Star Interior Composition Explorer X-ray Timing Instrument (NICER XTI) event data. We condition on informative pulsar mass, distance, and orbital inclination priors derived from the joint NANOGrav and CHIME/Pulsar wideband radio timing measurements of arXiv:2104.00880. We use XMM European Photon Imaging Camera spectroscopic event data to inform our X-ray likelihood function. The prior support of the pulsar radius is truncated at 16 km to ensure coverage of current dense matter models. We assume conservative priors on instrument calibration uncertainty. We constrain the equatorial radius and mass of PSR J0740$+$6620 to be $12.39_{-0.98}^{+1.30}$ km and $2.072_{-0.066}^{+0.067}$ M$_{\odot}$ respectively, each reported as the posterior credible interval bounded by the 16% and 84% quantiles, conditional on surface hot regions that are non-overlapping spherical caps of fully-ionized hydrogen atmosphere with uniform effective temperature; a posteriori, the temperature is $\log_{10}(T$ [K]$)=5.99_{-0.06}^{+0.05}$ for each hot region. All software for the X-ray modeling framework is open-source and all data, model, and sample information is publicly available, including analysis notebooks and model modules in the Python language. Our marginal likelihood function of mass and equatorial radius is proportional to the marginal joint posterior density of those parameters (within the prior support) and can thus be computed from the posterior samples.

研究动机与目标

• 从 NICER X 射线脉冲轮廓建模中推断 PSR J0740+6620 的赤道半径和质量，并以信息丰富的射电定时先验为条件。
• 将 XMM-Newton EPIC 光谱学纳入，以 informing X 射线似然函数。
• 探索表面热区模型并评估对半径推断的影响。
• 确保质量、距离和入射角的先验反映联合射电定时约束，同时覆盖与 EOS 相关的区域。
• 提供数据和软件，以实现分析和 EOS 含义的再现性。

提出的方法

• 在 NICER XTI 脉冲轮廓数据的条件下对中子星半径和质量进行贝叶斯估计。
• 基于 NANOGrav × CHIME/Pulsar 射电定时测量(Fonseca 等，2021a)推导的质量、距离和入射角的联合先验。
• 使用 X-PSI v0.7 对扁平化、旋转中子星表面的 X 射线光子进行相对论光线追踪。
• 两种热区表面模型（非重叠的球面盖，氢大气层）描述表面辐射。
• 使用 XMM-Newton EPIC 光谱学来在 NICER 数据之外为 X 射线似然提供信息。
• 边际似然解释：质量-半径后验可以用于构建用于 EOS 分析的边际似然。

实验结果

研究问题

• RQ1 在以信息丰富的射电定时先验为条件的 NICER 脉冲轮廓数据下，PSR J0740+6620 的质量和赤道半径是多少？
• RQ2 在 NICER XTI 数据下，表面热区配置如何影响推断到的半径？
• RQ3 XMM-Newton 光谱学在约束 X 射线似然以及 consequently 的质量-半径推断中起到的作用是什么？
• RQ4 如何在伴随分析中利用质量-半径后验进行 EOS 推断？
• RQ5 对距离、质量和入射角的先验以及对色散度-测量变异的处理，对结果的敏感性有多大？

主要发现

• 赤道半径和质量被约束为 R = 12.39 公里，-0.98/+1.30（16th–84th 百分位），M = 2.072 M⊙，-0.066/+0.067（16th–84th 百分位）。
• 在表面推断出两个不重叠热区的温度和大小，其后验统一有效温度（每个区域）为 log10(T[K]) = 5.99，-0.06/+0.05。
• 半径推断在质量、距离和轨道入射角方面以信息丰富的射电定时先验为条件，得到比仅靠 NICER 数据时更紧凑的约束。
• 所有分析软件开源，数据、模型和样本公开可得，包括分析笔记本和 Python 模块。
• 质量和赤道半径的边际似然可从后验样本中恢复，用于伴随研究中的 EOS 后验分析。