[论文解读] Improving Binary Millisecond Pulsar Distances with Gaia

Chiara M. F. Mingarelli, Lauren Anderson+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2018

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 1被引用 6

一句话总结

该论文通过结合毫秒脉冲星双星伴星的Gaia DR2视差与脉冲星计时视差数据，将七个关键国际脉冲星 timing 阵列（PTA）脉冲星的距离测量不确定性降低了五倍。研究报告了J1843-1113可能存在一个双星伴星，并在J1949+3106的视差精度上实现了数量级的提升，显著增强了PTA对纳赫兹引力波的探测灵敏度。

ABSTRACT

Improved distance measurements to millisecond pulsars can enhance pulsar timing array (PTA) sensitivity to gravitational-waves, improve tests of general relativity with binary pulsars, improve constraints on fuzzy dark matter, and more. Here we report the parallax and distance measurements to seven Gaia DR2 objects associated with seven International PTA pulsars: J0437-4715, J1012+5307, J1024-0719, J1732-5049, J1910+1256, J1843-1113, and J1949+3106. By multiplying the posteriors of the PTA-based parallax measurements with the Gaia parallax measurement to the pulsar's companion, we improve the distance measurements from a few percent to a factor of five, and a tentative detection of a binary companion to J1843-1113. We also find an order of magnitude improvement in the parallax measurement to J1949+3106.

研究动机与目标

• 改进脉冲星距离测量以提升脉冲星计时阵列（PTAs）对纳赫兹引力波的探测灵敏度。
• 解决由于银河系电子密度模型不完善而导致的色散量（DM）距离估计存在20%–40%大不确定性的难题。
• 利用双毫秒脉冲星中暗淡白矮星伴星的Gaia DR2天体测量数据，实现独立且高精度的视差测量。
• 将国际PTA数据发布2.0（IPTA DR2）中的脉冲星与Gaia DR2源进行交叉匹配，识别并表征双星伴星，以获得更精确的距离约束。
• 为未来利用Gaia EDR3和罗曼空间望远镜数据更新提供框架，将精度扩展至更暗的系统。

提出的方法

• 将国际PTA数据发布2.0（IPTA DR2）中的毫秒脉冲星与Gaia DR2源进行交叉匹配，以识别潜在的双星伴星。
• 利用白矮星伴星的Gaia DR2视差、自行和位置测量数据，推导出双星系统的独立距离估计。
• 通过贝叶斯乘法将Gaia视差的后验分布与脉冲星计时视差测量结果相结合，以提高整体距离测量的精度。
• 在可用的情况下，应用基于轨道周期导数（$\dot{P}_b$）的运动学距离估计，其误差随时间按$T^{-5/2}$规律减小。
• 评估基于色散量（DM）的距离（NE2001、YMW16模型）与新视差距离之间的差异，以识别双星系统周围可能存在的局部电子密度增强。
• 利用颜色-星等图和等时线建模对伴星进行分类，并评估其作为富氦白矮星的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与基于DM的估计相比，Gaia DR2对白矮星伴星的视差测量是否能显著提高毫秒脉冲星距离测量的精度？
• RQ2 结合计时视差与Gaia视差后验分布，对关键PTA脉冲星的距离不确定性降低程度如何？
• RQ3 基于DM的距离与新视差距离之间的差异是否表明双星系统周围存在局部电子密度增强？
• RQ4 对于已知计时解的脉冲星，能否在Gaia DR2数据中可靠地识别并表征其暗淡白矮星伴星？
• RQ5 改进后的距离测量如何影响脉冲星计时阵列对连续引力波源的探测灵敏度以及对广义相对论的检验？

主要发现

• Gaia DR2与脉冲星计时视差后验分布的结合，使包括J0437-4715、J1012+5307、J1024-0719、J1732-5049、J1910+1256、J1843-1113和J1949+3106在内的七颗毫秒脉冲星的距离不确定性降低了约五倍。
• J1949+3106的视差精度实现了数量级的提升，其距离估计显著小于NE2001和YMW16模型的预测值。
• 在J1843-1113中发现一个暂定的双星伴星，未来Gaia数据发布将对其进行持续监测。
• 对于J1024-0719和J1732-5049，新视差距离估计值超过NE2001和YMW16模型预测值的两倍，表明这些银道方向的电子密度被低估。
• 基于DM的距离对J1949+3106的估计值高估了五倍，提示可能存在近期质量转移阶段或周围物质的局部贡献。
• 颜色-星等图中的伴星位于与已知双白矮星系统不同的区域，部分位于主序星与白矮星序列之间的低谷区，与等时线建模结果一致，支持其为富氦白矮星。