[论文解读] On Low Mass X-ray Binaries and Millisecond Pulsar

L. Burderi, T. Di Salvo|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文回顾了吸积毫秒脉冲星（AMPs）的演化与观测特性，通过1998年以来发现的14个AMPs，证实了回收情景。本文提出了四种独立估算中子星磁场的方法，发现SAX J1808.4-3658的估算结果在3σ范围内一致，解决了自转减速与吸积相模型之间长期存在的矛盾。

ABSTRACT

The detection, in 1998, of the first Accreting Millisecond Pulsar, started an exciting season of continuing discoveries in the fashinating field of compact binary systems harbouring a neutron star. Indeed, in these last three lustres, thanks to the extraordinary performances of astronomical detectors, on ground as well as on board of satellites, mainly in the Radio, Optical, X-ray, and Gamma-ray bands, astrophysicists had the opportunity to thoroughly investigate the so-called Recycling Scenario: the evolutionary path leading to the formation of a Millisecond Radio Pulsar. The most intriguing phase is certainly the spin-up stage during which, because of the accretion of matter and angular momentum, the neutron star accumulates an extraordinary amount of mechanical rotational energy, up to one percent of its whole rest-mass energy. These millisecond spinning neutron stars are truly extreme physical objects: General and Special Relativity are fully in action, since their surfaces, attaining speeds close to one fifth of the speed of light, are located just beyond their Schwartzscild Radius, and electrodynamical forces, caused by the presence of huge surface magnetic fields of several hundred million Gauss, display their spectacular properties accelerating electrons up to such energies to promote pair creation in a cascade process responsible for the emission in Radio and Gamma-ray. The rotational energy is swiftly converted and released into electromagnetic power which, in some cases, causes the neutron star to outshine with a luminosity of one hundred Suns. In this paper I will review some of the most recent discoveries on (accreting) millisecond pulsars.

研究动机与目标

• 调和毫秒脉冲星族群中的观测异常与回收情景之间的矛盾。
• 解决1998年之前在低质量X射线双星（LMXBs）中未探测到毫秒X射线脉动的问题。
• 通过低质量伴星的剥离解释孤立毫秒脉冲星的起源。
• 利用多种独立的观测方法估算中子星磁场。
• 验证通过自转减速光度释放的旋转能量在后吸积演化中的作用。

提出的方法

• 利用RXTE及其他卫星的X射线测时数据，在暂现性LMXBs中探测到相干的毫秒X射线脉动。
• 应用拉莫尔公式计算自转减速光度：$ L_{\rm SD} = \frac{2}{3c^3} \mu^2 (2\pi/P)^4 $，将旋转能量损失与磁偶极辐射联系起来。
• 通过四种方法估算磁场强度：quiescence阶段X射线残余光度（方法a）、偶极辐射的光学再处理（方法b）、脉动相延迟拟合（方法c）以及长期自转减速率分析（方法d）。
• 结合多波段数据（X射线、射电、光学、伽马射线）交叉验证磁场估算与演化模型。
• 利用轨道周期与自转周期测量推断伴星质量，并检验涉及磁制动与引力辐射的演化模型。
• 对自转周期导数 $ \dot{P} $ 进行统计分析，其中 $ \dot{P}_{-20} $ 单位为 $ 10^{-20} $，以约束磁场强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸积毫秒脉冲星的观测特性如何支持毫秒脉冲星形成的回收情景？
• RQ2 为何在1998年之前未在LMXBs中探测到毫秒X射线脉动，这一问题如何得以解决？
• RQ3 哪些机制可解释孤立毫秒脉冲星的存在，自转减速能量损失在其中的演化作用如何？
• RQ4 多种独立方法能否在AMPs中得到一致的中子星磁场估算？
• RQ5 通过自转减速释放的旋转能量在改变致密双星系统长期演化中起何作用？

主要发现

• 1998年在SAX J1808.4-3658中发现2.5毫秒的相干X射线脉动，证实LMXBs是MSPs的前身天体，解决了长期缺乏探测到毫秒X射线脉动的问题。
• 对AMPs中磁场强度的四种独立估算方法在SAX J1808.4-3658中结果一致，误差在3σ范围内，$ B_8 = 1.62 \pm 0.10 $，验证了测量的稳健性。
• 基于长期自转减速（$ \dot{P}_{-18} = -2.75 \pm 0.51 $）的磁场估算结果为 $ B_8 = 1.62 \pm 0.10 $，与其他方法一致，证实了基于测时的自转减速分析的可靠性。
• 对于IGR J17498-2921，自转周期导数 $ \dot{P}_{-18} = +0.39 \pm 0.12 $ 表明其处于自转加速状态，暗示正在进行吸积，且磁场强度较低。
• 自转减速光度 $ L_{\rm SD} \sim 3.85 \times 10^{35} B_8^2 R_6^6 P_{-3}^{-4} \, \text{erg/s} $ 被发现是后吸积阶段的主要能量来源。
• 基于自转减速数据估算XTE J0929-314的磁场强度约为$ 10 $（以$ B_8 $单位表示），表明其磁场较强，与高$ \dot{P}_{-18} = +2.68 \pm 0.12 $的观测结果一致。