[论文解读] CHIME Discovery of a Binary Pulsar with a Massive Non-Degenerate Companion

Bridget C. Andersen, Emmanuel Fonseca+26 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本论文通过CHIME射电望远镜发现了脉冲星PSR J2108+4516，其自转周期为0.577秒，为轨道周期3.26 kpc的双星系统，伴星为一颗大质量非简并的OBe星。该系统表现出明显的色散量和散射的轨道调制，以及深度掩食，表明存在包周盘或致密星风；高分辨率成像确认其伴星为EM* UHA 138，其质量被约束在17.5–23 M☉之间，轨道倾角为50.3°–58.3°，使其成为研究脉冲星风相互作用和延展体动力学的罕见实验室。

ABSTRACT

Of the more than $3{,}000$ radio pulsars currently known, only ${\sim}300$ are in binary systems, and only five of these consist of young pulsars with massive non-degenerate companions. We present the discovery and initial timing, accomplished using the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment telescope (CHIME), of the sixth such binary pulsar, PSR J2108+4516, a $0.577$-s radio pulsar in a 269-day orbit of eccentricity 0.09 with a companion of minimum mass $11$ M$_{\odot}$. Notably, the pulsar undergoes periods of substantial eclipse, disappearing from the CHIME $400{-}800$ MHz observing band for a large fraction of its orbit, and displays significant dispersion measure and scattering variations throughout its orbit, pointing to the possibility of a circumstellar disk or very dense stellar wind associated with the companion star. Subarcsecond resolution imaging with the Karl G. Jansky Very Large Array unambiguously demonstrates that the companion is a bright, $V \simeq 11$ OBe star, EM* UHA 138, located at a distance of $3.26(14)$ kpc. Archival optical observations of \companion{} approximately suggest a companion mass ranging from $17.5$ M$_{\odot} < M_{ m c} < 23$ M$_{\odot}$, in turn constraining the orbital inclination angle to $50.3^{\circ} \lesssim i \lesssim 58.3^{\circ}$. With further multi-wavelength followup, PSR J2108+4516 promises to serve as another rare laboratory for the exploration of companion winds, circumstellar disks, and short-term evolution through extended-body orbital dynamics.

研究动机与目标

• 识别并表征具有大质量非简并伴星的稀有双星脉冲星，这对于研究脉冲星风相互作用和恒星演化至关重要。
• 探究此类系统中色散量和散射随轨道相位变化的物理机制。
• 通过多波段后续观测确定大质量伴星的本质和性质，特别是明确其身份和质量。
• 利用光学和射电数据约束轨道倾角和系统几何结构，以检验延展体轨道动力学。
• 将PSR J2108+4516确立为研究大质量双星系统中包周盘和星风相互作用的新实验室。

提出的方法

• 利用加拿大氢强度测绘实验（CHIME）在400–800 MHz频段多次观测中探测并测量脉冲星的到达时间。
• 采用高精度计时解算方法测量轨道参数，包括269天的轨道周期、偏心率0.09，以及伴星最小质量11 M☉。
• 应用PulsePortraiture软件建模脉冲轮廓，提取色散量（DM）和散射时间，同时考虑信噪比及参数间的协方差。
• 利用卡尔·G·詹斯基甚大阵列（VLA）进行亚角秒级分辨率成像，解析光学对应体并确认其身份为EM* UHA 138。
• 结合档案光学测光和天体测量数据，估算伴星质量范围（17.5–23 M☉），并约束轨道倾角（50.3°–58.3°）。
• 通过PulsePortraiture和Psrchive的大量模拟验证DM和散射测量的准确性，评估信噪比和散射水平对结果的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR J2108+4516的大质量非简并伴星的本质是什么？其质量和轨道倾角如何影响系统的动力学？
• RQ2 为何该脉冲星表现出深度且随轨道相位变化的掩食，以及显著的色散量和散射变化？
• RQ3 高分辨率射电成像能否解析光学对应体并确认其为OBe星？
• RQ4 何种物理结构——如包周盘或致密星风——可解释观测到的散射和DM变化？
• RQ5 该系统的配置如何为大质量双星演化和脉冲星风相互作用的模型提供信息？

主要发现

• PSR J2108+4516是一颗自转周期为0.577秒的射电脉冲星，轨道周期269天，偏心率0.09，围绕一颗最小质量11 M☉的大质量伴星运行。
• 该脉冲星在其轨道的大部分区域经历深度掩食，且表现出强烈的轨道相位依赖性色散量和散射变化。
• 高分辨率VLA成像明确将伴星识别为EM* UHA 138，一颗距离3.26(14) kpc的OBe星。
• 档案光学数据将伴星质量约束在17.5–23 M☉之间，暗示轨道倾角为50.3°–58.3°。
• 系统表现出显著的散射变化，部分观测值超过10 ms，且当信噪比>10时，PulsePortraiture能准确恢复内在散射值，误差在不确定度范围内。
• 观测到的散射和DM调制表明OBe伴星周围存在包周盘或致密星风，与Be星现象学一致。