[论文解读] Galactic neutron stars I. Space and velocity distributions in the disk and in the halo

N. Sartore, E. Ripamonti+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 46被引用 34

一句话总结

本研究利用蒙特卡洛模拟，基于不同的银河系势场和初始速度假设，模拟了银河系中中子星（NSs）的相空间分布。结果表明，约80%的中子星处于束缚轨道，但仅有约20%保留在银盘内，其余大部分分布于银晕中；这表明存在大量尚未被探测到的古老中子星，尤其集中在银晕区域，且对通过吸积、近距离观测和微引力透镜效应探测其可观测性的限制具有重要意义。

ABSTRACT

Aims. Neutron stars (NSs) produced in the Milky Way are supposedly ten to the eighth - ten to the ninth, of which only $\sim 2 imes 10^{3}$ are observed. Constraining the phase space distribution of NSs may help to characterize the yet undetected population of stellar remnants. Methods. We perform Monte Carlo simulations of NS orbits, under different assumptions concerning the Galactic potential and the distribution of progenitors and birth velocities. We study the resulting phase space distributions, focusing on the statistical properties of the NS populations in the disk and in the solar neighbourhood. Results. It is shown that $\sim 80$ percent of NSs are in bound orbits. The fraction of NSs located in a disk of radius 20 kpc and width 0.4 kpc is $\lesssim 20$ percent. Therefore the majority of NSs populate the halo. Fits for the surface density of the disk, the distribution of heights on the Galactic plane and the velocity distribution of the disk, are given. We also provide sky maps of the projected number density in heliocentric Galactic coordinates (l, b). Our results are compared with previous ones reported in the literature. Conclusions. Obvious applications of our modelling are in the revisiting of accretion luminosities of old isolated NSs, the issue of the observability of the nearest NS and the NS optical depth for microlensing events. These will be the scope of further studies.

研究动机与目标

• 约束银河系中中子星（NSs）的相空间分布，特别是尚未探测到的古老孤立中子星群体。
• 研究不同银河系势场和中子星初始速度分布假设对中子星空间分布与运动学特性的影响。
• 量化保留在银盘内的中子星比例与被抛射至银晕中的比例，并估算本地中子星密度与速度弥散度。
• 为银盘内的表面密度、标高尺度及速度分布提供统计模型，并生成以日心银道坐标表示的投影数量密度天空图。
• 通过分离古老中子星的相空间分布，为未来关于吸积光度、附近中子星可观测性以及微引力透镜光学深度的研究提供支持。

提出的方法

• 使用包含更新的盘、核球和晕质量分布的现实银河系势场，执行中子星轨道的蒙特卡洛模拟。
• 采用文献中多种中子星初始速度分布，包括高斯分布、麦克斯韦分布以及基于脉冲星观测的实证分布（如H05、F06、A02）。
• 在引力作用下积分中子星轨迹，追踪其空间与运动学演化，以判断其处于束缚或非束缚状态。
• 计算统计特性，如银盘及太阳邻近区域的表面密度、标高（半密度厚度）和速度弥散度。
• 生成不同模型下以银道坐标（l, b）表示的投影中子星数量密度天空图。
• 与先前研究（如P90、BR、BM、Z95、P00）进行比较，以评估结果的一致性与模型依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中有多大比例的中子星处于束缚轨道？该比例如何依赖于所假设的初始速度分布？
• RQ2 在高初始速度条件下，有多大比例的中子星仍保留在银河系银盘内？与总群体相比如何？
• RQ3 在太阳邻近区与银河系银盘中，中子星的预测表面密度、标高尺度及速度分布为何？
• RQ4 更新后的银河系势场模型如何影响中子星的逃逸比例与轨道演化？
• RQ5 所推导出的相空间分布对通过吸积、近距离观测或微引力透镜效应探测古老孤立中子星的可观测性有何影响？

主要发现

• 约80%的中子星处于束缚轨道，但仅有约20%保留在银河系银盘内（半径≤20 kpc，标高≤0.4 kpc），表明大多数中子星分布于银晕中。
• 本地中子星空间密度估计在1 × 10⁻⁴至5 × 10⁻⁴每10⁹颗恒星·pc⁻³之间，意味着最近的中子星距离太阳约10 pc以内。
• 银盘内低速中子星（v ≤ 50 km s⁻¹）极为稀少，其比例f₅₀ ≈ 0.001；该比例在本地标准参考系（LSR）中升至约0.05，但F06P分布除外，其表现出不同行为。
• 使用更新银河系势场的模型中，银盘群体的半密度标高降低10–20%，这是由于盘和核球质量增加所致。
• 在大半径处（r ~ 500 kpc），非束缚中子星占主导地位，且相空间分布清晰地将束缚与非束缚群体分离于银晕中。
• 对于高初始速度分布的模型（如H05、F06E、F06L），中子星逃逸银河系的比例最高（约30%），与ROSAT和脉冲星巡天的观测约束一致。