[论文解读] Complex variations of X-ray polarization in the X-ray pulsar LS V +44 17/RX J0440.9+4431

Victor Doroshenko, Juri Poutanen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究利用IXPE在一次巨耀发期间对Be X射线脉冲星LS V +44 17/RX J0440.9+4431首次开展了脉冲相位分辨X射线偏振测量，揭示了在两个光度状态之间偏振特性显著变化。观测到的偏振角（PA）相位依赖性在两次观测中截然不同，但若在模型中加入一个额外的、非脉动的、高度偏振的成分（PD ≈ 10–30%，PA ≈ 70°），源自盘风中的散射，则可由单一脉冲星几何结构解释，从而在仅数天内解决了明显的几何不一致问题。

ABSTRACT

We report on ixpe observations of the Be-transient X-ray pulsar LS V +44 17/RX J0440.9+4431 at two luminosity levels during the giant outburst in January--February 2023. Considering the observed spectral variability and changes in the pulse profiles, the source was likely caught in super- and sub-critical states with significantly different emission region geometry, associated with the presence of accretion columns and hot spots, respectively. We focus here on the pulse-phase resolved polarimetric analysis and find that the observed dependencies of the polarization degree and polarization angle (PA) on pulse phase are indeed drastically different for the two observations. The observed differences, if interpreted within the framework of the rotating vector model (RVM), imply dramatic variations of the spin axis inclination and the position angle and the magnetic colatitude by tens of degrees within just a few days separating the observations. We suggest that the apparent changes in the observed PA phase dependence are predominantly related to the presence of a polarized unpulsed component in addition to the polarized radiation associated with the pulsar itself. We show that the observed PA phase dependence in both observations can then be explained with a single set of RVM parameters defining the pulsar's geometry. We also suggest that the additional polarized component is likely produced by scattering of the pulsar radiation off the equatorial disk wind.

研究动机与目标

• 利用X射线偏振测量研究Be X射线脉冲星LS V +44 17/RX J0440.9+4431在巨耀发期间的几何结构与辐射机制。
• 解决在相隔数天的两次观测中，脉冲相位分辨偏振角（PA）变化之间存在的明显矛盾。
• 确定观测到的偏振变化是否源于脉冲星几何结构的内在变化，还是外部偏振成分的影响。
• 检验旋转矢量模型（RVM）在解释X射线脉冲星中复杂偏振行为时的有效性。

提出的方法

• 利用成像X射线偏振探测器（IXPE）在两个不同光度水平下进行脉冲相位分辨X射线偏振测量。
• 分析偏振度（PD）和PA随脉冲相位的变化，以检测辐射几何结构的变化。
• 应用旋转矢量模型（RVM）从PA相位曲线推断脉冲星的倾角、磁轴倾角和自旋位置角。
• 通过在模型中引入一个额外的非脉动、偏振的成分，以解释推导出的几何参数之间的差异。
• 利用光谱变化和脉冲轮廓变化，推断吸积柱（超临界状态）与热点（亚临界状态）的存在。
• 提出该额外偏振成分源于脉冲星辐射在高度电离的赤道盘风中的散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在仅相隔数天的两次IXPE观测中，脉冲相位分辨的偏振角（PA）依赖性差异如此显著？
• RQ2 观测到的PA相位依赖性差异能否由单一脉冲星几何结构解释，还是意味着脉冲星自旋轴与磁轴在短时间内发生快速变化？
• RQ3 在数据中检测到的额外非脉动、高度偏振成分的起源是什么？
• RQ4 吸积柱与热点的存在如何影响观测到的X射线偏振特性？
• RQ5 当存在外部偏振成分时，旋转矢量模型（RVM）在多大程度上能够解释X射线脉冲星中复杂的偏振行为？

主要发现

• 在两次观测中，源在某些脉冲相位区间表现出强烈的X射线偏振，偏振度（PD）超过20%。
• 若仅通过RVM解释，观测到的PA相位依赖性与单一脉冲星几何结构不一致，表明仅在数天内，倾角、磁轴倾角和位置角似乎发生了数十度的变化。
• 通过在模型中加入一个恒定的、非脉动的、高度偏振的成分（PD ≈ 10–30%，PA ≈ 70°），可解决这些表观几何变化，该成分可能源于赤道盘风中的散射。
• 在减去非脉动成分后，脉冲星几何结构可一致地描述为：倾角 ip ≈ 108°，磁轴倾角 θp ≈ 48°，自旋位置角 χp ≈ −8.4°。
• 当考虑额外成分时，两次观测中PA相位依赖性均能被RVM良好描述，尤其在观测2中达到近乎完美的吻合。
• 结果表明，多 epoch、高质量的偏振观测——理想情况下结合全波段光谱和光学偏振测量——对于准确解释X射线脉冲星偏振至关重要。