[论文解读] Multi-wavelength observations of the binary system PSR B1259-63/LS 2883 around the 2010-2011 periastron passage

M. Chernyakova, A. A. Abdo+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 52被引用 68

一句话总结

本研究在2010–2011年近星点 passage 期间对 PSR B1259−63/LS 2883 双星系统进行了多波段观测，发现近星点后约30天出现一个GeV γ射线耀发，但在射电、X射线或TeV波段均无明显对应信号。该耀发与Be星周围盘面扰动有关，由Hα和Brγ谱线等效宽度减小推断得出，表明盘面破坏与高能辐射之间存在物理关联。

ABSTRACT

We report on broad multi-wavelength observations of the 2010-2011 periastron passage of the gamma-ray loud binary system PSR B1259-63. High resolution interferometric radio observations establish extended radio emission trailing the position of the pulsar. Observations with the Fermi Gamma-ray Space Telescope reveal GeV gamma-ray flaring activity of the system, reaching the spin-down luminosity of the pulsar, around 30 days after periastron. There are no clear signatures of variability at radio, X-ray and TeV energies at the time of the GeV flare. Variability around periastron in the H$\alpha$ emission line, can be interpreted as the gravitational interaction between the pulsar and the circumstellar disk. The equivalent width of the H$\alpha$ grows from a few days before periastron until a few days later, and decreases again between 18 and 46 days after periastron. In near infrared we observe the similar decrease of the equivalent width of Br$\gamma$ line between the 40th and 117th day after the periastron. For the idealized disk, the variability of the H$\alpha$ line represents the variability of the mass and size of the disk. We discuss possible physical relations between the state of the disk and GeV emission under assumption that GeV flare is directly related to the decrease of the disk size.

研究动机与目标

• 研究PSR B1259−63在2010–2011年近星点 passage 期间的多波段行为，特别关注高能γ射线耀发现象。
• 确定观测到的GeV γ射线耀发在射电、X射线或TeV波段是否存在对应信号。
• 通过光学和红外光谱分析Be星周围盘面的状态，评估其在高能辐射中的作用。
• 利用高分辨率干涉测量确定脉冲星与扩展射电发射之间的空间关系。
• 探讨盘面状态变化与GeV耀发发生时间之间的物理联系，尤其考虑到耀发初始时刻缺乏同时多波段数据。

提出的方法

• 利用Fermi-LAT进行GeV γ射线观测，INTEGRAL进行硬X射线观测，并通过澳大利亚长基线射电干涉仪（Long Baseline Array）开展射电干涉测量，实施全波段多波段观测。
• 进行高分辨率射电干涉成像，测量脉冲星相对于扩展射电发射的位置，消除交叉定标不确定性。
• 分析光学光谱（Hα、He I λ6678）和近红外光谱（Brγ），追踪等效宽度随时间相对于近星点的变化。
• 比较射电、X射线和γ射线波段的光 light curves，识别变异性模式，并寻找与GeV耀发的相关性。
• 假设脉冲星与Be星盘面之间存在引力相互作用，建立盘面状态演化模型，将盘面大小和质量变化与辐射变化关联。
• 采用时间分辨光谱分析方法，评估X射线和射电流量的变异性，并检测耀发前后是否存在异常现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近星点后约30天观测到的GeV γ射线耀发，在射电、X射线或TeV波段是否有可探测的对应信号？
• RQ2 根据Hα和Brγ谱线等效宽度的变化，Be星LS 2883的周围盘面在脉冲星近距离飞越期间如何演化？
• RQ3 观测到的Hα和Brγ等效宽度减小是否与GeV耀发的发生时间存在物理关联？
• RQ4 扩展射电发射相对于脉冲星的空间形态如何？是否支持彗尾结构的存在？
• RQ5 观测到的X射线和射电光曲线能否由稳定的辐射机制解释？是否存在与GeV耀发相关的细微异常？

主要发现

• 近星点后约30天出现强烈的GeV γ射线耀发，其亮度达到与脉冲星自转损耗功率相当的水平，但在射电、X射线或TeV波段均无明显对应信号。
• 在AU量级上成像了扩展射电发射，显示出尾随脉冲星的彗尾形态，峰值发射位于数10 AU的投影距离处。
• Hα谱线等效宽度在近星点前后增加，在最接近时刻达到峰值，随后在近星点后18–46天内减小，表明盘面发生破坏。
• Brγ谱线等效宽度在近星点后40至117天内减小，与Hα趋势一致，支持盘面状态的变化。
• 射电和X射线光曲线在定性上与以往近星点passage相似，X射线流量在近星点前20–30天上升，并在近星点后达到峰值，但在耀发初始时刻未检测到明显异常。
• 首次在单一数据集中实现对脉冲星与扩展射电发射位置的同时测量，确认源位于约100 AU量级的扩展射电区域内，解决了先前的定标不确定性。