[论文解读] Constraints on the Emission Geometries of Gamma-ray Millisecond Pulsars Observed with the Fermi Large Area Telescope

T. J. Johnson|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 12被引用 5

一句话总结

该论文利用费米LAT数据的马尔可夫链蒙特卡洛分析，约束了19颗伽马射线毫秒脉冲星的辐射几何结构，检验了外间隙、槽隙/双极尖刺以及成对匮乏极帽模型。研究发现，TPC模型在七颗脉冲星中表现最佳，其视线角度均匀分布，磁场倾角倾向于各向同性——支持吸积导致自旋加速的理论，并暗示在光度估计中需进行的束状修正极小。

ABSTRACT

Millisecond pulsars (MSPs) have been established as a class of high-energy ($\geq$0.1 GeV) emitters with the Large Area Telescope (LAT) aboard the \emph{Fermi Gamma-ray Space Telescope}. Most MSP gamma-ray light curves display sharp peaks indicative of thin accelerating gaps, suggesting copious pair-creation in the open volume. MSP gamma-ray and radio light curves have been simulated using geometric outer-gap (OG), slot-gap/two-pole caustic (TPC), and pair-starved polar cap gamma-ray models and either a hollow-cone beam or altitude-limited, outer-magnetospheric gap radio model, all assuming a vacuum retarded dipolar magnetic field geometry. A Markov chain Monte Carlo maximum likelihood technique has been developed to find the best-fit model parameters for nineteen MSPs using data from the LAT and various radio observatories. The best-fit viewing angles follow a uniform, angular distribution. The distribution of magnetic inclination angles favors all angles equally, contrary to analyses of non-recycled pulsars, which supports the theory that MSPs have been spun-up via accretion. There are suggestions that the radio emission should occur nearer the light cylinder. These results have implications for MSP population simulations and for addressing MSP contributions to diffuse backgrounds. An implied transition in the gamma-ray luminosity versus spin-down power trend is observed but more statistics are necessary to describe it.

研究动机与目标

• 利用费米LAT数据，确定伽马射线毫秒脉冲星最可能的辐射几何结构模型（外间隙、TPC、成对匮乏极帽）
• 评估脉冲星视线几何结构和磁倾角对观测光曲线与谱特征的影响
• 通过从约束的几何结构中推导出的模型相关束状因子，改进伽马射线光度估计
• 通过分析磁倾角分布，检验毫秒脉冲星通过吸积自旋加速的假设
• 评估这些几何结构对群体合成与弥散伽马射线背景建模的影响

提出的方法

• 对19颗毫秒脉冲星的光曲线应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）最大似然技术，结合费米LAT与射电数据进行拟合
• 采用包括外间隙（OG）、槽隙/双极尖刺（TPC）和成对匮乏极帽（PSPC）在内的几何模型
• 使用真空延迟偶极磁场几何结构，并通过洛伦兹变换将磁场从惯性参考系转换到共转参考系，以引入相对论性光行差效应
• 应用相对论性光行差公式（式105），从共转参考系的辐射方向计算惯性参考系中光子的传播方向
• 在共转参考系中正确应用磁场变换（式108），修正了先前忽略此效应的假设
• 在视线几何空间生成置信度轮廓，并将模型预测与射电和X射线观测结果进行比较

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种伽马射线辐射模型——外间隙、TPC或成对匮乏极帽——最能解释毫秒脉冲星的观测光曲线？
• RQ2 脉冲星视线角度和磁倾角的分布如何？该分布是否支持毫秒脉冲星的吸积自旋加速假说？
• RQ3 从几何模型中推导出的束状因子如何提高伽马射线光度估计的准确性？
• RQ4 观测到的伽马射线光度与自旋损失功率之间的关系是否显示出过渡迹象？这对辐射机制有何含义？
• RQ5 在共转参考系中正确应用磁场变换，与先前假设相比，对模拟光曲线形状的影响有多大？

主要发现

• 在所分析的19颗毫秒脉冲星中，TPC模型在其中七颗中显著优于其他模型
• 最佳拟合的视线角度在天空中均匀分布，表明无特定取向偏好
• 磁倾角分布无特定值偏好，与非回收脉冲星的趋势相矛盾，支持吸积自旋加速理论
• 在共转参考系中正确包含磁场变换对光曲线形状影响极小，但提高了模型准确性
• 由模型推导出的束状因子可通过校正直射效应，实现更精确的伽马射线光度估计
• 观察到伽马射线光度与自旋损失功率关系中存在隐含的过渡，但需更多数据确认其显著性