[论文解读] Coordinated X-ray, Ultraviolet, Optical, and Radio Observations of the PSR J1023+0038 System in a Low-mass X-ray Binary State

Slavko Bogdanov, Anne M. Archibald+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 6被引用 6

一句话总结

本研究对PSR J1023+0038在低质量X射线双星（LMXB）状态下的多波段观测揭示了X射线光度模式的快速、频繁转换：一种稳定的$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$模式，伴有相干脉动；一种较低的$5\times10^{32}$ erg s$^{-1}$模式，无脉动；以及间歇性爆发，光度可达$10^{34}$ erg s$^{-1}$。观测显示在吸积期间无无线电脉动，但检测到变化的、谱指数平坦的无线电发射，与弱喷流一致，且X射线与无线电变异性之间无相关性，挑战了现有的吸积模型。

ABSTRACT

The PSR J1023+0038 binary system hosts a neutron star and a low-mass, main-sequence-like star. It switches on year timescales between states as an eclipsing radio millisecond pulsar and a low-mass X-ray binary. We present a multi-wavelength observational campaign of PSR J1023+0038 in its most recent low-mass X-ray binary state. Two long XMM-Newton observations reveal that the system spends ~70% of the time in a $\approx$$3 imes10^{33}$ erg/s X-ray luminosity mode, which, as shown in Archibald et al. (2014), exhibits coherent X-ray pulsations. This emission is interspersed with frequent lower flux mode intervals with $\approx$$5 imes 10^{32}$ erg/s and sporadic flares reaching up to $\approx$$10^{34}$ erg/s, with neither mode showing significant X-ray pulsations. The switches between the three flux modes occur on timescales of order 10 s. In the UV and optical, we observe occasional intense flares coincident with those observed in X-rays. Our radio timing observations reveal no pulsations at the pulsar period during any of the three X-ray modes, presumably due to complete quenching of the radio emission mechanism by the accretion flow. Radio imaging detects highly variable, flat-spectrum continuum emission from PSR J1023+0038, consistent with an origin in a weak jet-like outflow. Our concurrent X-ray and radio continuum data sets do not exhibit any correlated behavior. The observational evidence we present bears qualitative resemblance to the behavior predicted by some existing propeller and trapped disk accretion models although none can fully account for all aspects of the rich phenomenology of this system.

研究动机与目标

• 理解PSR J1023+0038在低质量X射线双星状态下的吸积动力学，该系统是罕见的从无线电脉冲星向X射线双星状态过渡的系统。
• 研究快速X射线光度变异性（包括相干脉动和爆发）的起源，及其与无线电和光学活动的关联。
• 确定观测到的X射线与无线电行为是否与现有的自旋刹车或捕获盘吸积理论模型一致。
• 评估磁层不稳定性或盘面形变在驱动间歇性吸积爆发中的作用。
• 评估该系统对中子星自转演化及高度磁化系统中吸积扭矩机制的长期影响。

提出的方法

• 开展协调的XMM-Newton X射线观测，以测量光度模式并检测$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$状态下的相干脉动。
• 进行同时的紫外和光学测光，以识别与X射线活动同步的爆发。
• 实施无线电定时观测，以在不同X射线状态下搜索1.7 ms周期的脉动。
• 获取无线电成像数据，以探测并表征指示弱喷流状外流的平坦谱连续发射。
• 分析X射线与无线电光曲线的同步数据，以检验两个波段之间是否存在相关变异性。
• 将观测结果与自旋刹车和捕获盘吸积模型的预测进行比较，以评估模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR J1023+0038中快速、频繁的X射线光度状态切换的成因是什么？它们与吸积物理有何关联？
• RQ2 为何仅在$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$模式下观测到相干X射线脉动？在较低光度模式下脉动的缺失对吸积流几何结构有何含义？
• RQ3 间歇性X射线爆发（达到$10^{34}$ erg s$^{-1}$）的起源是什么？它们是否与盘面不稳定性或磁层破坏有关？
• RQ4 为何在任何X射线模式下均未检测到无线电脉动？可变的、谱指数平坦的无线电发射存在意味着什么，关于喷流形成机制？
• RQ5 现有吸积模型（如自旋刹车或捕获盘模型）在多大程度上能解释该系统的完整现象学特征？

主要发现

• 该系统约70%的时间处于稳定的$3\times10^{33}$ erg s$^{-1}$ X射线光度模式，且表现出相干X射线脉动。
• 频繁出现短暂的$5\times10^{32}$ erg s$^{-1}$光度区间，无X射线脉动，表明可能为非吸积或高度破坏的吸积状态。
• 间歇性爆发光度可达$10^{34}$ erg s$^{-1}$，且未观测到脉动，表明存在不稳定或瞬态的吸积过程。
• 无线电定时观测在任何X射线模式下均未在1.7 ms周期检测到脉动，可能由于吸积流抑制了无线电发射机制。
• 无线电成像揭示了高度可变的、谱指数平坦的连续发射，与弱的、间歇性的喷流状外流一致。
• X射线与无线电连续光曲线之间未观测到显著相关性，表明两个波段的变异性是解耦的。