[论文解读] Discovery of a Young Gamma-ray Pulsar Associated with an Extended TeV Gamma-ray Source

M. Dormody|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

该论文报告了通过使用费米-LAT数据进行盲频域搜索，首次发现了PSR J1022-5746，这是迄今最年轻（4.6 kyr）且最活跃的无线电安静伽马射线脉冲星。该脉冲星在空间上与扩展的TeV源HESS J1023-575重合，表明其可能驱动了甚高能（VHE）辐射，这一结论得到了X射线和红外多波段数据的支持。

ABSTRACT

Since its launch in June 2008, the Large Area Telescope (LAT), onboard the \emph{Fermi} Gamma-ray Space Telescope, has greatly added to our understanding of gamma-ray pulsars. Its fine point spread function and large effective area, combined with the time-differencing method, make it the first gamma-ray instrument capable of discovering a new population of gamma-ray pulsars. We will present the recent discovery of the youngest (~4600 yr) radio-quiet gamma-ray pulsar discovered in a blind frequency search so far: PSR J1022-5746, a pulsar associated with an extended TeV source. We also present multiwavelength observations of the source, including X-ray observations.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT数据对银河系平面进行盲频域搜索，以识别新的伽马射线脉冲星。
• 解析明亮且扩展的TeV源HESS J1023-575的本质，确定其高能辐射的起源。
• 表征PSR J1022-5746的定时和辐射特性，该脉冲星为年轻、高能、无线电安静的伽马射线脉冲星。
• 通过X射线、红外和射电对应体的多波段关联，约束脉冲星的环境和距离。
• 评估脉冲星通过自转损失能量和粒子加速在驱动扩展TeV源中的作用。

提出的方法

• 采用时间差分法检测伽马射线光子到达时间的周期性，降低计算负载，从而实现对具有高自转损失率的脉冲星的探测。
• 对费米-LAT 11个月的数据进行盲频域搜索，使用半径为0.8°的感兴趣区域，并选取能量大于300 MeV的光子。
• 对自转损失（ḟ）和频率二阶导数（f̈）进行修正，以检测具有大定时导数的脉冲星，如PSR J1022-5746。
• 使用费米-LAT P6v3仪器响应函数，在多个能量段计算通量和能谱分布。
• 将LAT源位置与TeV、X射线和红外数据交叉匹配，识别关联关系并评估空间重合度。
• 分析钱德拉X射线数据，发现一个位于脉冲星0.1′角距离内的微弱X射线对应体CXOU J102302.8–574607。

实验结果

研究问题

• RQ1 盲频域搜索能否检测到具有高自转损失率和显著定时噪声的年轻、无线电安静伽马射线脉冲星？
• RQ2 扩展TeV源HESS J1023-575的本质是什么？它是否由附近高能脉冲星驱动？
• RQ3 多波段环境（X射线、红外和射电）如何支持PSR J1022-5746与HESS J1023-575之间的关联？
• RQ4 PSR J1022-5746的定时和辐射特性是什么？与其他伽马射线脉冲星相比有何异同？
• RQ5 脉冲星的自转损失光度对HESS J1023-575观测到的TeV辐射贡献有多大？

主要发现

• PSR J1022-5746被发现为最年轻的伽马射线脉冲星（τ = 4.6 kyr），也是通过盲搜发现的最活跃脉冲星，其自转损失光度为1094.9 × 10^34 erg s⁻¹。
• 该脉冲星具有高自转损失率（ḟ = 30.9163 × 10⁻¹² Hz s⁻¹）和显著的二阶频率导数（f̈ = 6.49 × 10⁻²¹ Hz s⁻²），若无先进定时修正，难以探测。
• 基于11个月内4365个光子的定时解算，其在100 MeV以上的通量为23.0 ± 2.6 × 10⁻⁸ cm⁻² s⁻¹。
• 该脉冲星位置与X射线源CXOU J102302.8–574607的角距离仅为0.1′，柱密度暗示其距离大于10 kpc。
• 该脉冲星位于扩展TeV源HESS J1023-575的中心，与LAT明亮源位置的角距离仅18′，且处于TeV辐射区域之内。
• 红外观测显示存在与HESS源对齐的分子喷流和弧状结构，可能暗示非对称超新星爆发，与脉冲星的位置和年龄一致。