[论文解读] Possible Fermi Detection of the Accreting Millisecond Pulsar Binary SAX J1808.4-3658

Yi Xing, Zhongxiang Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

该论文报告了利用费米-LAT数据在吸积毫秒脉冲星双星SAX J1808.4-3658中可能探测到GeV能量范围的伽马射线辐射，其能谱拟合结果与具有指数截断的幂律谱一致。该探测结果得到轨道调制和X射线源分析的支持，表明该脉冲星在宁静期为自转驱动，伽马射线转换效率高达63%，表明其作为一颗古老毫秒脉冲星具有极高的效率。

ABSTRACT

We report the Fermi Large Area Telescope (LAT) detection of a $γ$-ray source at the position of SAX J1808.4$-$3658. This transient low-mass X-ray binary contains an accreting millisecond puslar, which is only seen during its month-long outbursts and likely switches to be rotation powered during its quiescent state. Emission from the $γ$-ray source can be described by a power law with an exponential cutoff, the characteristic form for pulsar emission. Folding the source's 2.0--300 GeV photons at the binary orbital period, a weak modulation is seen (with an H-test value of $\sim$17). In addition, three sets of archival XMM-Newton data for the source field are analyzed, and we find only one X-ray source with 3--4$σ$ flux variations in the 2$σ$ error circle of the $γ$-ray source. However based on the X-ray properties, this X-ray source is not likely a background AGN, the major class of Fermi sources detected by LAT. These results support the possible association between the $γ$-ray source and SAX J1808.4$-$3658 and thus the scenario that the millisecond pulsar is rotation powered in the quiescent state. Considering a source distance of 3.5 kpc for SAX J1808.4$-$3658, the 0.1--300 GeV luminosity is 5.7$ imes 10^{33}$ erg s$^{-1}$, implying a $γ$-ray conversion efficiency of 63\% for the pulsar in this binary.

研究动机与目标

• 研究吸积毫秒脉冲星SAX J1808.4-3658在宁静期是否发射可探测的伽马射线辐射。
• 检验AMXP在宁静期是否像过渡性MSP（如J1023+0038和XSS J12270-4859）一样转变为自转驱动辐射的假设。
• 通过与X射线对应体交叉识别并排除背景类星体污染，确定伽马射线源的本质。
• 估算脉冲星的伽马射线光度和辐射效率，并与理论预期进行比较。

提出的方法

• 对SAX J1808.4-3658中心的20°×20°区域内的费米-LAT Pass 7重处理数据进行分析，能量范围为100 MeV至300 GeV，时间跨度为4.3年。
• 使用费米2FGL和3FGL源星表进行源建模，5°范围内的源参数自由，其余源参数固定。
• 通过指数截断幂律拟合伽马射线能谱，以表征辐射特性。
• 通过H检验折叠光子，搜索在双星轨道周期（2.02小时）处的轨道调制。
• 与XMM-Newton X射线数据交叉识别，以确定潜在对应体，并基于流量变温和光谱特性评估类星体的可能性。
• 利用距离3.5 kpc和脉冲星计时参数得到的自旋下降光度，计算伽马射线光度和转换效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 SAX J1808.4-3658在宁静期是否存在显著的伽马射线辐射？
• RQ2 观测到的伽马射线辐射是否表现出与双星系统中旋转中子星一致的轨道调制？
• RQ3 该伽马射线源更可能与背景类星体相关，还是更可能与脉冲星系统相关？
• RQ4 该脉冲星的伽马射线光度和辐射效率是多少？与理论预期相比如何？
• RQ5 该源的能谱和时间行为是否支持其为宁静期自转驱动毫秒脉冲星的场景？

主要发现

• 在SAX J1808.4-3658的位置探测到伽马射线源，其能谱拟合结果与具有指数截断的幂律谱一致，特征为脉冲星辐射。
• H检验显示在双星轨道周期处存在微弱的轨道调制，亮度峰位于近星和冲点附近，但显著性较低。
• 在2σ误差圆内的17个X射线源中，仅有一个表现出3–4σ的流量变异性，且其X射线特性可排除为背景类星体。
• 在距离3.5 kpc处，0.1–300 GeV能量范围的伽马射线光度为5.7 × 10^33 erg s⁻¹，表明伽马射线转换效率为63%。
• 该高效率超过老脉冲星的“死亡线”阈值，支持古老MSP可具有增强伽马射线发射的观点。
• 该探测结果得到费米3FGL星表的确认，其中源3FGL J1808.4-3703的位置与伽马射线源的最佳拟合位置一致。