[论文解读] PSR J0952-0607: The Fastest and Heaviest Known Galactic Neutron Star

Roger W. Romani, D. Kandel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

该论文利用凯克望远镜对脉冲星J0952-0607的照射伴星进行的光谱测光和径向速度测量，首次精确测定了银河系中自转最快、质量最大的中子星的质量。分析得到中子星质量为 $2.35 \pm 0.17\,M_\odot$，是有史以来最精确测量的中子星质量，且在90%置信水平下，中子星最大质量的下限为 $M_{\rm max} > 2.19\,M_\odot$，显著约束了致密物质状态方程。

ABSTRACT

We describe Keck-telescope spectrophotometry and imaging of the companion of the ``black widow" pulsar PSR~J0952$-$0607, the fastest known spinning neutron star (NS) in the disk of the Milky Way. The companion is very faint at minimum brightness, presenting observational challenges, but we have measured multicolor light curves and obtained radial velocities over the illuminated ``day" half of the orbit. The model fits indicate system inclination $i=59.8\pm 1.9^\circ$ and a pulsar mass $M_{NS} = 2.35\pm 0.17 M_\odot$, the largest well-measured mass found to date. Modeling uncertainties are small, since the heating is not extreme; the companion lies well within its Roche lobe and a simple direct-heating model provides the best fit. If the NS started at a typical pulsar birth mass, nearly $1 M_\odot$ has been accreted; this may be connected with the especially low intrinsic dipole surface field, estimated at $6 imes 10^7$G. Joined with reanalysis of other black widow and redback pulsars, we find that the minimum value for the maximum NS mass is $M_{ m max} > 2.19 M_\odot$$(2.09 M_\odot)$ at $1σ$$(3σ)$ confidence. This is $\sim 0.15 M_\odot$ heavier than the lower limit on $M_{ m max}$ implied by the white-dwarf--pulsar binaries measured via radio Shapiro-delay techniques.

研究动机与目标

• 利用对伴星的光学观测，测量银河系中自转最快的中子星PSR J0952-0607的质量。
• 确定J0952的极端自转速度和低磁场是否与其演化历史中显著的质量吸积有关。
• 利用J0952及其他蜘蛛脉冲星的质量数据，约束中子星最大质量并检验致密物质状态方程。
• 评估双星吸积在降低中子星磁场中的作用，特别是在具有低本征偶极磁场的系统中。

提出的方法

• 利用凯克望远镜的LRIS成像与光谱观测，获取伴星在多个轨道相位的多色光 light curves 和径向速度。
• 应用直接加热模型拟合观测到的通量变化，假设伴星位于其洛希瓣内，且仅受脉冲星辐射加热。
• 通过光曲线建模约束系统倾角，得到 $i = 59.8 \pm 1.9^\circ$，从而实现基于径向速度曲线的质量测定。
• 在假设轨道为圆形且为开普勒运动的前提下，利用轨道解和倾角推导中子星质量。
• 采用基于似然的统计模型，从观测到的高质量中子星样本中估计最大中子星质量 ($M_{\rm max}$) 的最小值。
• 对蜘蛛脉冲星的质量测量结果应用偏差校正的加速自助法（bias-corrected, accelerated bootstrap），以估计 $M_{\rm max}$ 的置信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR J0952-0607，即银河系中自转最快的中子星，其精确质量是多少？
• RQ2 PSR J0952已吸积了多少质量？这是否与其极低的本征磁场 $6 \times 10^7$ G 一致？
• RQ3 基于包含J0952在内的蜘蛛脉冲星样本，中子星最大质量的下限是多少？
• RQ4 蜘蛛双星系统中的中子星质量与白矮星-中子星双星系统中的中子星质量相比如何？这对致密物质状态方程有何启示？
• RQ5 在毫秒脉冲星系统中，是否存在高质质量吸积、低磁场与高中子星质量之间的因果联系？

主要发现

• PSR J0952-0607中子星质量被测定为 $2.35 \pm 0.17\,M_\odot$，是有史以来最精确测量的中子星质量。
• 系统的倾角确定为 $59.8 \pm 1.9^\circ$，这对基于径向速度曲线的精确质量测定至关重要。
• 分析结果表明，中子星最大质量在90%置信水平下的下限为 $M_{\rm max} > 2.19\,M_\odot$，在99.7%置信水平下为 $>2.09\,M_\odot$，显著高于此前基于 Shapiro 延迟测量的估计值。
• 与仅考虑其他蜘蛛脉冲星相比，加入J0952使 $1\sigma$ 置信水平下 $M_{\rm max}$ 的下限提高了 $\sim 0.13\,M_\odot$。
• 数据支持使用简单的直接加热模型来描述伴星，反射或再辐射等复杂效应可忽略，从而降低了建模不确定性。
• 结果表明，PSR J0952可能已吸积至少 $0.5\,M_\odot$ 的质量，更可能达到 $\sim 1\,M_\odot$，这与其中子星低本征磁场和高质质量一致。