[论文解读] Eccentric Binary Millisecond Pulsars

P. C. C. Freire|ArXiv.org|Jul 18, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文综述了偏心双星毫秒脉冲星（MSPs）的发现，强调对这些系统的计时测量揭示了比以往所知更广泛的MSP质量分布（1.3至>2 M⊙），其中PSR J1903+0327的精确质量测量值为1.67±0.01 M⊙，排除了多种软核物质方程态。这些发现为中子星方程态及超核密度下物质的行为提供了关键约束。

ABSTRACT

In this paper we review the recent discovery of several millisecond pulsars (MSPs) in eccentric binary systems. Timing these MSPs we were able to estimate (and in one case precisely measure) their masses. These results suggest that, as a class, MSPs have a much wider range of masses (1.3 to > 2 solar masses) than the normal and mildly recycled pulsars found in double neutron star (DNS) systems (1.25 < Mp < 1.44 solar masses). This is very likely to be due to the prolonged accretion episode that is thought to be required to form a MSP. The likely existence of massive MSPs makes them a powerful probe for understanding the behavior of matter at densities larger than that of the atomic nucleus; in particular, the precise measurement of the mass of PSR J1903+0327 ($1.67 +/- 0.01 solar masses) excludes several "soft" equations of state for dense matter.

研究动机与目标

• 研究偏心双星系统中毫秒脉冲星的形成与演化路径。
• 利用偏心双星的高精度射电计时，确定MSP的质量分布。
• 利用相对论轨道参数测试广义相对论，并约束致密核物质的方程态。
• 探讨大质量MSP对中子星核心中是否存在奇异相的影响。
• 评估未来观测在探测相对论性近日点进动并确认MSP高质质量方面的潜力。

提出的方法

• 对偏心双星系统中的毫秒脉冲星进行射电计时，以测量诸如近日点进动（ω̇）等相对论轨道参数。
• 利用后开普勒参数（ω̇、r、s）通过广义相对论轨道解推导脉冲星与伴星的质量。
• 将计时模型应用于阿雷西博与格林班克望远镜的数据，实现亚微秒级计时精度。
• 对多个偏心MSP系统的质量概率密度函数（p.d.f.s）进行统计分析，以推断群体层面的特性。
• 在光学波段进行谱线测量，以确定伴星速度和质量比，为广义相对论提供额外检验。
• 通过模拟估算在NGC 6440B等系统中以足够精度探测近日点进动所需的时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 偏心双星系统中毫秒脉冲星的质量范围是什么？与双中子星系统（质量范围为1.25至1.44 M⊙）相比有何不同？
• RQ2 对相对论轨道参数的计时测量如何约束致密中子星物质的方程态？
• RQ3 PSR J1903+0327等偏心MSP中观测到的近日点进动是否可被广义相对论完全解释，还是需要额外的天体物理建模？
• RQ4 PSR J1903+0327的高质质量（1.67±0.01 M⊙）对中子星结构理论及奇异物质相的存在具有何种意义？
• RQ5 未来观测，特别是光学波段的观测，将如何帮助解决偏心MSP轨道参数与质量测量中的不确定性？

主要发现

• 毫秒脉冲星的质量分布范围从1.3 M⊙延伸至大于2 M⊙，表明其范围比以往认知更广，尤其与双中子星系统（质量范围1.25至1.44 M⊙）相比更为宽泛。
• PSR J1903+0327的质量被精确测量为1.67±0.01 M⊙，该结果排除了多种软核物质方程态。
• PSR J1903+0327的高质质量为中子星中心密度设定了严格上限，限制了包含禁闭夸克或超子的理论模型。
• PSR J1903+0327是首个在银河系盘内发现的偏心双星MSP，挑战了以往关于MSP主要在球状星团中形成的假设。
• 在Terzan 5中已识别出七个偏心双星MSP，其近日点进动可测量，使得对MSP质量与轨道演化进行统计研究成为可能。
• 未来观测，特别是谱线红移测量与长期计时，有望确认或进一步精炼PSR J1903+0327的质量，并利用多个后开普勒参数检验广义相对论。