[论文解读] Millisecond Pulsars in X-Ray Binaries

Deepto Chakrabarty|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文研究了低质量X射线双星中毫秒脉冲星的自转演化，表明吸积驱动的脉冲星极为稀少，而通过X射线耀斑揭示的核能驱动毫秒脉冲星显示出自转频率在730 Hz处存在明显的截止，表明亚毫秒脉冲星极为罕见。大多数系统中缺乏持续脉动，表明磁场可能被吸积物质屏蔽，引力辐射可能作为角动量汇，阻止自转加速。

ABSTRACT

Despite considerable evidence verifying that millisecond pulsars are spun up through sustained accretion in low-mass X-ray binaries (LMXBs), it has proven surprisingly difficult to actually detect millisecond X-ray pulsars in LMXBs. There are only 5 accretion-powered millisecond X-ray pulsars known among more than 80 LMXBs containing neutron stars, but there are another 11 "nuclear powered" millisecond pulsars which reveal their spin only during brief, thermonuclear X-ray bursts. In addition, 2 of the accretion-powered pulsars also exhibit X-ray burst oscillations, and their unusual properties, along with the absence of persistent pulsations in most LMXBs, suggest that the magnetic fields in many LMXBs may be hidden by accreted material. Interestingly, the nuclear-powered pulsars offer a statistically unbiased probe of the spin distribution of recycled pulsars and show that this distribution cuts off sharply above 730 Hz, well below the breakup spin rate for most neutron star equations of state. This indicates that some mechanism acts to halt or balance spin-up due to accretion and that submillisecond pulsars must be very rare (and are possibly nonexistent). It is unclear what provides the necessary angular momentum sink, although gravitational radiation is an attractive possibility.

研究动机与目标

• 理解尽管理论预期存在，为何吸积驱动的毫秒X射线脉冲星如此稀少。
• 利用X射线耀斑期间探测到的核能驱动毫秒脉冲星，研究回收脉冲星的自转分布。
• 确定引力辐射或磁场屏蔽等物理机制是否能解释大多数LMXB中缺乏持续脉动的现象。
• 约束中子星的最大自转频率，并评估亚毫秒脉冲星的存在性。
• 评估引力波辐射在平衡吸积力矩并阻止中子星自转加速中的作用。

提出的方法

• 分析来自罗西X射线时域实验（RXTE）的X射线数据，以探测吸积中子星中的毫秒级变异性。
• 利用千赫兹准周期振荡（kHz QPOs）和X射线耀斑振荡，作为探测中子星自转和吸积动力学的工具。
• 对13个核能驱动毫秒脉冲星的自转频率进行统计分析，以推断自转分布的上限。
• 使用吸积力矩理论建模平衡自转周期：$ P_{\rm eq} \sim 1\,\text{s} \left( \frac{B}{10^{12}\,\text{G}} \right)^{6/7} \left( \frac{\dot{M}}{10^{-9}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}} \right)^{-3/7} $。
• 通过r模不稳定性及壳层四极矩评估引力辐射作为潜在角动量损失机制的作用。
• 将观测到的自转分布与理论模型进行比较，以检验引力波辐射是否能平衡吸积力矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在超过80个包含中子星的LMXB中，仅探测到五颗吸积驱动的毫秒X射线脉冲星？
• RQ2 核能驱动毫秒脉冲星的自转频率分布为何在约730 Hz处出现明显的截止？
• RQ3 如果中子星表面磁场足够强以产生可探测的X射线脉动，为何大多数LMXB中缺乏持续脉动？
• RQ4 是否存在某种物理机制，能将LMXB中中子星的自转加速限制在破坏频率以下？
• RQ5 来自r模不稳定性或吸积诱导四极矩的引力辐射，是否能提供足够的角动量损失，以解释观测到的自转分布？

主要发现

• 核能驱动毫秒脉冲星的自转频率分布显示出在730 Hz处的明显截止（95%置信度），表明亚毫秒脉冲星极为稀少或根本不存在。
• 观测到的最大自转频率730 Hz与目前已知最快的毫秒射电脉冲星PSR B1937+21（自转频率641 Hz）一致。
• 在耀斑振荡样本中未发现高于619 Hz的脉冲星，并非由于灵敏度限制，因为RXTE对高达2 kHz的信号仍保持灵敏。
• 大多数LMXB中缺乏持续毫秒脉动，表明磁场可能被吸积物质屏蔽，这与弱场中子星应产生可探测脉动的预期相矛盾。
• 来自r模不稳定性或吸积诱导四极矩的引力辐射，是平衡吸积力矩并阻止自转加速的合理机制。
• 射电脉冲星巡天独立支持最大自转频率接近700 Hz，进一步证实了730 Hz截止的观测一致性。