[论文解读] Accretion-driven millisecond X-ray pulsars

R. Wijnands|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2005

Geotechnical and Geomechanical Engineering被引用 13

一句话总结

本文回顾了目前已知的六颗吸积驱动的毫秒X射线脉冲星的观测特性，重点关注首颗被发现的SAX J1808.4–3658。文章基于RXTE观测结果，首次在已知自转频率为401 Hz的系统中同时探测到千赫兹准周期振荡（kHz QPOs）与近乎相干的爆发振荡，为吸积系统中中子星自转周期的确定提供了关键证据。

ABSTRACT

I present an overview of our current observational knowledge of the six known accretion-driven millisecond X-ray pulsars. A prominent place in this review is given to SAX J1808.4-3658; it was the first such system discovered and currently four outbursts have been observed from this source, three of which have been studied in detail using the Rossi X-ray Timing Explorer satellite. This makes SAX J1808.4-3658 the best studied example of an accretion-driven millisecond pulsar. Its most recent outburst in October 2002 is of particular interest because of the discovery of two simultaneous kilohertz quasi-periodic oscillations and nearly coherent oscillations during type-I X-ray bursts. This is the first (and so far only) time that such phenomena are observed in a system for which the neutron star spin frequency is exactly known. The other five systems were discovered within the last three years (with IGR J00291+5934 only discovered in December 2004) and only limited results have been published.

研究动机与目标

• 总结20世纪90年代末至21世纪初发现的吸积驱动毫秒X射线脉冲星的当前观测知识。
• 利用来自罗西X射线时变实验（RXTE）的数据，分析首颗且研究最深入的毫秒X射线脉冲星SAX J1808.4–3658的特性。
• 研究具有已知自转频率的中子星低质量X射线双星（LMXBs）中千赫兹准周期振荡（kHz QPOs）与爆发振荡之间的关联。
• 探讨低时间平均吸积率对磁场持久性及这些系统中脉冲星行为的影响。
• 强调持续监测和未来仪器对研究吸积毫秒脉冲星群体及其演化路径的必要性。

提出的方法

• 利用公开的RXTE/ASM和PCA数据，构建SAX J1808.4–3658在多次爆发（1996年、1998年、2002年）期间的光 light curves，并分析X射线变异性。
• 执行功率谱密度分析，以在持续X射线辐射和I型爆发期间检测401 Hz处的相干脉动。
• 分析BeppoSAX/WFC获取的X射线爆发数据，以搜索爆发振荡，确认在第三次爆发中检测到一个微弱的401 Hz信号。
• 检查非周期性快速X射线变异性及光谱特性，将SAX J1808.4–3658与其它LMXBs进行比较。
• 汇编并审查2002至2004年间发现的另外四颗毫秒X射线脉冲星的数据，包括IGR J00291+5934。
• 评估磁屏蔽与超短轨道周期系统中吸积的理论模型，以解释脉冲星行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 SAX J1808.4–3658在2002年爆发期间为何能同时探测到千赫兹准周期振荡与近乎相干的401 Hz爆发振荡？
• RQ2 SAX J1808.4–3658中已知的401 Hz自转频率如何帮助确认爆发振荡与中子星自转的关联？
• RQ3 尽管许多此类系统中存在kHz QPOs，为何仅有少数中子星LMXBs表现出相干脉动？
• RQ4 时间平均吸积率在决定中子星是否保持可观测的毫秒脉冲星状态方面起什么作用？
• RQ5 毫秒X射线脉冲星的轨道和X射线光曲线特性与非脉动LMXBs相比有何异同？

主要发现

• 在2002年10月的爆发期间，SAX J1808.4–3658同时表现出两个千赫兹准周期振荡和近乎相干的401 Hz爆发振荡，这是首例在自转频率精确已知的系统中实现此类探测。
• 通过RXTE/PCA数据的相干时域分析，确认了SAX J1808.4–3658中401 Hz的脉动频率，确立其为首个吸积驱动的毫秒X射线脉冲星。
• 在1996年爆发期间观测到的第三次X射线爆发中，检测到一个微弱的401 Hz振荡，表明其他LMXBs中的爆发振荡确实由中子星自转驱动。
• 主爆发六周后，该源仍表现出持续活动，光度约为峰值的十分之一，表明其具有类似后续爆发的长期衰减阶段。
• 目前已知的六颗吸积驱动的毫秒X射线脉冲星的自转频率范围为185 Hz至599 Hz，轨道周期范围为40分钟至4.3小时，表明系统属性存在显著多样性。
• 理论模型表明，低时间平均吸积率可使中子星磁场保持足够强以影响吸积流，从而解释为何仅部分LMXBs中可观测到脉动。