[论文解读] Accretion-powered pulsations in an apparently quiescent neutron star binary

Anne M. Archibald, Slavko Bogdanov+11 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Dec 3, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用 16

一句话总结

本研究报告在X射线光度约为任何已知吸积毫秒X射线脉冲星的100分之一的条件下，探测到PSR J1023+0038的相干X射线脉动，证明即使在宁静期，磁化中子星上仍存在定向吸积。该发现挑战了现有的吸积模型，揭示了在极低吸积率下，物质的磁性导流仍可维持。

ABSTRACT

Accreting millisecond X-ray pulsars are an important subset of low-mass X-ray binaries in which coherent X-ray pulsations can be observed during occasional, bright outbursts (X-ray luminosity $L_X\sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$). These pulsations show that matter is being channeled onto the neutron star's magnetic poles. However, such sources spend most of their time in a low-luminosity, quiescent state ($L_X\lesssim 10^{34}$ erg s$^{-1}$), where the nature of the accretion flow onto the neutron star (if any) is not well understood. Here we report that the millisecond pulsar/low-mass X-ray binary transition object PSR J1023+0038 intermittently shows coherent X-ray pulsations at luminosities nearly 100 times fainter than observed in any other accreting millisecond X-ray pulsar. We conclude that in spite of its low luminosity PSR J1023+0038 experiences episodes of channeled accretion, a discovery that challenges existing models for accretion onto magnetized neutron stars.

研究动机与目标

• 调查在吸积率极低的宁静中子星双星中，定向吸积是否仍持续存在。
• 确定在光度低于10^34 erg s⁻¹时，是否可发生相干X射线脉动（指示磁性导流）。
• 理解PSR J1023+0038在从自转驱动的毫秒脉冲星向低光度X射线双星过渡期间的吸积物理机制。
• 在极端宁静条件下，检验当前磁化中子星吸积模型的适用极限。

提出的方法

• 使用XMM-Newton在2013年11月和2014年6月两次观测PSR J1023+0038，采用EPIC-pn和MOS探测器以快速测时模式。
• 将光 light curves 按10秒时间间隔分类为低、高、耀发、模糊或背景耀发模式。
• 采用H检验和傅里叶分析检测相干脉动，通过均方根（F_rms）调制估计脉动流量，以减少偏差。
• 应用基于傅里叶系数及其不确定性的偏差校正F_rms估计器，结合带校正项的帕塞瓦尔定理。
• 通过最小化估计脉冲轮廓与真实脉冲轮廓之间均方误差的准则，选择最优谐波数（m）。
• 通过互相关和最小二乘拟合，对RMSP态和LMXB态的脉冲轮廓进行对齐与比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在X射线光度低于10^34 erg s⁻¹的中子星双星中探测到指示磁性导流吸积的相干X射线脉动？
• RQ2 在如此低光度下脉动的存在，对宁静LMXB中吸积流几何结构与磁场相互作用有何启示？
• RQ3 PSR J1023+0038在LMXB态下的吸积行为与已知AMXPs及宁静LMXB相比如何？
• RQ4 标准磁化中子星吸积模型在极端宁静条件下仍有多大概率保持有效？

主要发现

• 在X射线光度约3×10^33 erg s⁻¹时，于PSR J1023+0038探测到相干X射线脉动，约为任何先前观测到的吸积毫秒X射线脉冲星光度的100分之一。
• 两次XMM-Newton观测（2013年11月和2014年6月）均探测到脉动，证实该现象并非瞬时事件，而是间歇性存在。
• 通过基于傅里叶方法的F_rms估计，脉动分数被证明具有鲁棒性且无偏差，该方法可校正光曲线最小值处的噪声与统计偏差。
• LMXB态下的脉冲轮廓与RMSP态轮廓具有明显相似性，表明尽管经历了剧烈状态转变，吸积几何结构仍保持连续性。
• 在如此低光度下仍能探测到脉动，表明磁性导流在吸积率极低时仍可维持。
• 该结果挑战了现有磁化中子星吸积模型，这些模型预测在宁静期由于磁压作用，吸积与脉动将被抑制。