[论文解读] Optical studies of companions to millisecond pulsars

M. H. van Kerkwijk, C. Bassa+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 11

一句话总结

本文研究毫秒脉冲星白矮星伴星的光学特性，以约束双星演化和脉冲星年龄。通过结合光学光谱和冷却模型，发现PSR B0820+02的冷却年龄超过其特征自旋降速年龄，表明其制动指数低于3，并利用冷却年龄检验NGC 6752中PSR J1911−5958A的形成情景，表明其可能通过动力学交换过程形成，且起源较新。

ABSTRACT

Optical observations of the companions of pulsars can help determine the properties of the binaries, as well as those of their components, and give clues to the preceding evolution. In this review, we first describe the different classes of binary pulsars, and present a table with a summary what is known about their optical counterparts. Next, we focus on the class of pulsars that have low-mass, helium-core white dwarf companions. We discuss attempts to determine the masses of both components using optical spectroscopy, and compare the pulsar spin-down ages with cooling ages of the white dwarfs. We confirm that for a given age, the lowest-mass white dwarfs are much hotter than the more massive ones, consistent with recent evolutionary models, although with one glaring exception. We discuss the case of PSR B0820+02, where the cooling age indicates a braking index less than 3, and conclude by describing how cooling ages can be used to test formation scenarios for PSR J1911-5958A, a pulsar binary in the outskirts of NGC 6752.

研究动机与目标

• 利用光学光谱确定毫秒脉冲星低质量白矮星伴星的质量和演化历史。
• 将脉冲星自旋降速年龄与白矮星冷却年龄进行比较，以检验制动定律和演化模型的一致性。
• 利用冷却年龄估计区分球状星团NGC 6752中PSR J1911−5958A的形成情景。
• 通过对比预测值与观测值的温度和质量，评估白矮星冷却模型的可靠性。

提出的方法

• 通过白矮星伴星的光学光谱测量有效温度和表面重力。
• 利用白矮星冷却模型，根据观测到的温度和质量推导冷却年龄。
• 将脉冲星自旋降速年龄（τ_c = P / (2Ṗ)）与冷却年龄进行比较，以推断制动指数n。
• 应用质量-半径关系及流量-温度-距离测量，独立约束白矮星质量。
• 利用档案的HST和ESO成像识别并表征PSR J1911−5958A的光学对应体。
• 对轨道参数和伴星质量进行统计分析，以检验双星脉冲星的演化模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 若PSR B0820+02的冷却年龄超过其自旋降速年龄，其制动指数是否与磁偶极制动一致？
• RQ2 通过调整制动指数能否解决脉冲星特征年龄与白矮星冷却年龄之间的差异？
• RQ3 PSR J1911−5958A白矮星伴星的年轻冷却年龄对NGC 6752中其形成机制有何启示？
• RQ4 观测到的白矮星温度和质量与低质量双星脉冲星演化模型的预测相比如何？
• RQ5 冷却年龄能否用于区分球状星团中原始双星形成与动力学交换事件？

主要发现

• PSR B0820+02白矮星伴星的冷却年龄为221 ± 11 Myr，显著长于其特征自旋降速年龄130 Myr。
• 该差异表明制动指数约为2.2，提示即使在较老的脉冲星中，其制动行为也偏离标准磁偶极制动。
• PSR J1911−5958A白矮星伴星的温度约为11,000 K，质量约为0.2 M☉，表明其年龄约为1 Gyr，属年轻天体。
• PSR J1911−5958A白矮星伴星的年轻冷却年龄支持其在NGC 6752中通过近期动力学交换相互作用形成。
• PSR B0820+02白矮星大气中未检测到氢，表明其为富含氦或CO核心的组成，与低质量白矮星演化一致。
• 冷却模型与观测结果高度一致，使我们能够对双星脉冲星系统中的白矮星可靠估计年龄。