[论文解读] Radioquiet isolated neutron stars: old and young, nearby and far away, dim and very dim

С. Б. Попов, A. Treves+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文研究了为何无线电安静的孤立中子星（INSs）在老年时极难被探测到，主要原因包括高速运动、长期的螺旋桨阶段以及吸积效率低下。研究提出，大多数附近的INSs年龄较轻（≤数百万年），质量较低至中等（M < 1.35 M☉），仅当它们仍处于高温状态且位于约1 kpc范围内时才可被探测到，而‘七重奏’（Magnificent Seven）正是此类年轻、邻近且X射线明亮的冷却中子星的典型代表。

ABSTRACT

We briefly discuss the evolutionary path and observational appearance of isolated neutron stars (INSs) focusing on radioquiet objects. There are many reasons to believe that these sources are extremely elusive once the star surface has cooled down: their high spatial velocities, the long propeller stage and/or the very low accretion efficiency. We describe recent population synthesis models of close-by young INSs, highlighting the major difficulties encountered in the past by these simulations in reproducing the observed properties of known sources. As we show, a likely possibility is that most of the INSs in the Solar proximity are young (less than few Myrs) neutron stars born in the Gould Belt. To stay hot enough and sustain X-ray emission for a time $\approx 1$ Myr, they probably need to be low- to medium-massive, with $M$ less than$\sim 1.35 M_\odot$.

研究动机与目标

• 解释为何尽管预期数量众多，老年无线电安静孤立中子星（INSs）仍极难被观测到。
• 解决群体合成模型中无法重现观测到的INS特性（尤其是通过吸积未探测到老年INSs）的矛盾。
• 通过分析其演化路径，阐明‘七重奏’——一群邻近、暗淡、发射X射线的INSs——的起源与可探测性。
• 评估高速空间运动、磁场衰减以及吸积效率在抑制老年INSs可探测X射线辐射中的作用。
• 评估在密集环境（如球状星团）中探测老年INSs作为吸积体的可能性，尽管吸积率较低。

提出的方法

• 使用超过10,000条中子星轨迹的蒙特卡洛模拟，采用来自Arzoumanian等（2002）的现实脉冲星反冲速度分布和银河系薄盘内的出生分布（75 pc厚）。
• 应用Bondi吸积率公式（Ṁ ≈ 10¹¹ n / v₆³ gs⁻¹）估算基于星际介质密度和中子星速度的质量吸积率。
• 模拟四种演化阶段：喷射器、地转子、螺旋桨和吸积器，关键周期（P_E 和 P_A）由磁层与引力动力学推导得出。
• 计算关键喷射器周期（P_E ~ 10 n⁻¹/⁴ μ₃₀¹/² v₆¹/² s）和螺旋桨过渡周期（P_A ~ 300 μ₃₀⁶/⁷ v₆⁹/⁷ n⁻³/⁷ s），以确定吸积何时可能开始。
• 利用表面温度和冷却模型计算X射线辐射的光度，并与‘七重奏’的观测软X射线光度进行比较。
• 评估低速与高速区域的吸积效率，包括预热、磁流体力学屏障和湍流对吸积率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何老年无线电安静孤立中子星（INSs）如此难以探测，尤其是通过X射线辐射？
• RQ2 哪些物理机制——高速运动、长螺旋桨阶段或低吸积效率——最强烈地抑制老年INSs的可探测辐射？
• RQ3 为何尽管理论预期存在，却未观测到由星际介质吸积驱动的老年INSs？
• RQ4 如何解释‘七重奏’——一群邻近、暗淡、发射X射线的INSs——的起源与可探测性？
• RQ5 如果假设年轻、低质量INSs（M < 1.35 M☉）是附近主导群体，群体合成模型能否重现已知INSs的观测特性？

主要发现

• 大多数附近的INSs可能年龄较轻（≤数百万年）且质量较低至中等（M < 1.35 M☉），因为只有这类恒星才能在约100万年内保持足够高温以发射可探测的软X射线。
• 质量超过约1.35 M☉的INSs会迅速冷却，在约10⁵年内变暗，除非它们极为年轻，否则无法被探测到。
• 高速运动（>100 km s⁻¹）使大多数INSs无法吸积，使其在生命大部分时间处于喷射器或螺旋桨阶段。
• 若磁场缓慢衰减，螺旋桨阶段可长达数十亿年，在此阶段吸积被抑制，导致光度极低。
• 即使吸积开始，由于湍流、磁流体力学效应或预热导致的低吸积率，大多数情况下光度仍不足以被探测。
• ‘七重奏’最合理的解释是：它们为年轻、邻近（约1 kpc内）、低质量的INSs，仍处于高温状态并发射软X射线，其光度与Bondi吸积估算值一致。