[论文解读] Glitches in four gamma-ray pulsars and inferences on the neutron star structure

Erbil Gügercinoğlu, M. Y. Ge+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 126被引用 25

一句话总结

本研究基于十年期Fermi-LAT数据分析了四颗伽马射线脉冲星（Vela、J1023−5746、J2111+4606、J2229+6114），利用定时解和涡旋蠕动模型识别出20次跳变——其中11次为新发现——揭示了跳变活动与自转降速率呈比例关系，PSR J1023−5746为最活跃者，并推导出关键中子星结构参数，包括超流区域的转动惯量和耦合 timescales，同时在修正跳变影响后测得PSR J2229+6114的制动指数为n=2.63(30)。

ABSTRACT

We present timing solutions from the Fermi-LAT observations of gamma-ray pulsars PSR J0835$-$4510 (Vela), PSR J1023$-$5746, PSR J2111$+$4606, and PSR J2229$+$6114. Data ranges for each pulsar extend over a decade. From data analysis we have identified a total of 20 glitches, 11 of which are new discoveries. Among them, 15 glitches are large ones with $\Delta u/ u\gtrsim10^{-6}$. PSR J1023$-$5746 is the most active pulsar with glitch activity parameter being $A_{ m g}=14.5 imes10^{-7}$\yr~in the considered data span and should be a target for frequently glitching Vela-like pulsars in future observations. We have done fits within the framework of the vortex creep model for 16 glitches with $\Delta u/ u\gtrsim10^{-7}$. By theoretical analysis of these glitches we are able to obtain important information on the structure of neutron star, including moments of inertia of the superfluid regions participated in glitches and coupling time-scales between various stellar components. The theoretical prediction for the time to the next glitch from the parameters of the previous one is found to be in qualitative agreement with the observed inter-glitch time-scales for the considered sample. Recoupling time-scales of the crustal superfluid are within the range of theoretical expectations and scale inversely with the spin-down rate of a pulsar. We also determined a braking index n=2.63(30) for PSR J2229$+$6114 after glitch induced contributions have been removed.

研究动机与目标

• 本文旨在通过伽马射线脉冲星中的跳变观测理解中子星的内部结构。
• 研究跳变特性与中子星动力学及超流耦合的关系。
• 确定参与跳变的超流区域的转动惯量与耦合 timescales。
• 检验跳变恢复的理论模型，并评估超流性在中子星自转降速中的作用。

提出的方法

• 作者利用跨越十余年的Fermi-LAT数据，为四颗伽马射线脉冲星生成高精度定时解。
• 通过分析旋转频率与自转降速率相对于跳变前模型的偏差来识别跳变。
• 对16次大跳变（∆ν/ν ≳10−7）应用涡旋蠕动模型，包含指数恢复与延迟响应分量。
• 使用经验方程对跳变后定时残差进行建模，包含频率跃迁、自转降速率变化及恢复 timescales。
• 在去除跳变影响后，推导PSR J2229+6114的制动指数。
• 采用统计拟合与误差传播方法，估算耦合 timescales与转动惯量等推导参数的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 伽马射线脉冲星中的跳变特性如何反映中子星内部结构与超流动力学？
• RQ2 超流区域与地壳/核心之间的耦合 timescales 是多少？其随自转降速率如何变化？
• RQ3 涡旋蠕动模型在多大程度上能解释这些脉冲星的跳变后恢复行为？
• RQ4 在去除跳变贡献后，PSR J2229+6114的制动指数是多少？其对自转降速机制有何启示？
• RQ5 跳变的重复周期与幅度如何随脉冲星自转降速率变化？

主要发现

• 在四颗伽马射线脉冲星中共识别出20次跳变，其中11次为新发现。
• PSR J1023−5746表现出最高的跳变活动，其活动参数Ag = 14.5 × 10−7 yr−1。
• 十五次跳变为大跳变，∆ν/ν ≳10−6，表明存在显著的角动量转移。
• 涡旋蠕动模型成功拟合了16次大跳变，所得耦合 timescales 与自转降速率成反比，且与理论预期一致。
• 对多个脉冲星的参与跳变的超流区域转动惯量进行了约束。
• 在去除跳变贡献后，测得PSR J2229+6114的制动指数为n = 2.63(30)，暗示存在非偶极自转降速机制。