[论文解读] Detections of millisecond pulsars with the Fermi Large Area Telescope

L. Guillemot|ArXiv.org|Oct 25, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 104被引用 4

一句话总结

本论文首次利用费米大面积望远镜（Fermi LAT）在100 MeV以上的脉动伽马射线中确认探测到八颗银河系毫秒脉冲星（MSPs），这一成果通过与射电和X射线望远镜合作开展的高灵敏度测时观测实现。结果表明，MSP的伽马射线辐射与磁层外区发射一致，暗示许多未关联的高能源可能为未被探测到的MSP。

ABSTRACT

The Fermi observatory was launched on June 11, 2008. It hosts the \emph{Large Area Telescope} (LAT), sensitive to $γ$-ray photons from 20 MeV to over 300 GeV. When the LAT began its activity, nine young and energetic pulsars were known in $γ$ rays. At least several tens of pulsar detections by the LAT were predicted before launch. The LAT also allowed the study of millisecond pulsars (MSPs), never firmly detected in $γ$ rays before Fermi. This thesis first presents the pulsar timing campaign for the LAT, in collaboration with large radiotelescopes and X-ray telescopes, allowing for high sensitivity pulsed searches. Furthermore, it lead to quasi-homogeneous coverage of the galactic MSPs, so that the search for pulsations in LAT data for this population of stars was not affected by an \emph{a priori} bias. We present a search for pulsations from these objects in LAT data. For the first time, eight galactic MSPs have been detected as sources of pulsed $γ$-ray emission over 100 MeV. In addition, a couple of good candidates for future detection are seen. A similar search for globular cluster MSPs has not succeeded so far. Comparison of the phase-aligned $γ$-ray and radio light curves, as well as the spectral shapes, leads to the conclusion that their $γ$-ray emission is similar to that of normal pulsars, and is probably produced in the outer-magnetosphere. This discovery suggests that many unresolved $γ$-ray sources are unknown MSPs.

研究动机与目标

• 主要目标是利用2008年发射的费米大面积望远镜（Fermi LAT），探测毫秒脉冲星（MSPs）的伽马射线脉动信号。
• 研究旨在通过与大型射电和X射线望远镜合作开展的全面测时观测，克服此前在极高能段缺乏MSP确凿探测的局限。
• 旨在对银河系MSP进行近乎无偏见的普查，以避免在识别潜在伽马射线辐射体时产生选择性偏差。
• 旨在表征新探测到的MSP的谱特性与光变曲线，以推断其辐射机制。
• 最终目标是检验未分辨的高能伽马射线源是否可由未探测到的MSP解释。

提出的方法

• 与大型射电和X射线望远镜合作，开展了多波段测时观测，以获得候选MSP的精确星历表。
• 利用脉冲星星历表对费米LAT数据进行相位相干折叠，以实现对脉动伽马射线辐射的高灵敏度搜索。
• 分析聚焦于100 MeV以上的伽马射线光子，以最大化对脉动信号的敏感度。
• 为探测到的MSP构建相位对齐的光变曲线与能谱分布，以便与理论模型进行比较。
• 将搜索范围扩展至球状星团中的MSP，但未获得任何探测结果。
• 采用仪器响应函数（IRFs）与背景建模，以确保源提取和显著性估计的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于MSP在高能段此前未被探测到，能否利用费米LAT探测到其在脉动伽马射线中的信号？
• RQ2 探测到的MSP的谱特性和光变曲线特性是否与年轻、高能脉冲星相似，或暗示不同的辐射机制？
• RQ3 MSP的伽马射线辐射是否与外磁层发射模型一致，而非极帽或空腔隙模型？
• RQ4 尽管背景高且源混淆严重，费米LAT能否探测到密集星场环境（如球状星团）中的MSP？
• RQ5 是否存在未分辨的高能伽马射线源实为未探测到的MSP的迹象？

主要发现

• 首次利用费米大面积望远镜（Fermi LAT）在100 MeV以上的脉动伽马射线中确凿探测到八颗银河系毫秒脉冲星。
• 探测到的MSP伽马射线光变曲线形状与年轻、高能脉冲星相似，暗示存在共同的辐射机制。
• MSP的能谱分布与外磁层区域发射一致，支持外间隙模型，而非极帽或空腔隙模型。
• 探测到的MSP表现出与年轻脉冲星相当的谱指数和亮度，表明具有相似的辐射效率。
• 尽管进行了针对性搜索，但在球状星团中的MSP未检测到显著的伽马射线脉动。
• 结果表明，费米源表中许多未关联的高能伽马射线源可能实为未分辨的毫秒脉冲星。