[论文解读] Soft X-rays from polar caps of the millisecond pulsar J0437--4715

V. E. Zavlin, George G. Pavlov|ArXiv.org|Aug 12, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 12

一句话总结

该论文将毫秒脉冲星 J0437--4715 的软 X 射线辐射解释为两个以氢为主的极帽的热辐射，其中心核心温度较高（约 1–2×10⁶ K），边缘较冷（约 3–5×10⁵ K），与缝隙模型的预测一致。观测到的光度（约 1.3×10³⁰ erg s⁻¹）和低柱密度（1–3×10¹⁹ cm⁻²）支持高度电离状态，并验证了脉冲星辐射机制的理论模型。

ABSTRACT

We show that the soft X-ray spectra and light curves observed with the ROSAT and EUVE from the closest known millisecond pulsar J0437--4715 can be interpreted as thermal radiation from two hot polar caps whose emitting layers (atmospheres) are comprised of hydrogen. The simplest model yields a uniform temperature of $(0.8-0.9) imes 10^6 K$ within a cap radius of $0.7-0.9 km$. The spectral fits indicate that the temperature may be nonuniformly distributed along the cap surface. The distribution can be approximated by a central core heated up to $(1-2) imes 10^6 K$ within a radius of $0.2-0.4 km$, surrounded by a colder rim with temperatures $(3-5) imes 10^5 K$ extending out to $2-6 km$. The polar cap interpretation implies low column densities, $(1-3) imes 10^{19} cm^{-2}$, and a high degree of ionization, $> 20$%, of the interstellar hydrogen towards the pulsar. The inferred bolometric luminosity of the polar caps, $(1.0-1.6) imes 10^{30} erg s^{-1}$, is in excellent agreement with the predictions of the slot-gap model of radio pulsars developed by Arons and his coworkers. Similar polar cap radiation should be emitted by other millisecond pulsars, although in some of them (e.~g., PSR B1821--24) the soft X-ray flux is dominated by the nonthermal radiation from pulsar magnetospheres.

研究动机与目标

• 解释 ROSAT 和 EUVE 观测到的毫秒脉冲星 J0437--4715 的软 X 射线谱和光变曲线。
• 确定 X 射线辐射的物理起源，特别是其是否来自极帽中的热辐射。
• 利用观测到的 X 射线光度和温度分布，检验射电脉冲星缝隙模型的预测。
• 约束视线方向上星际介质的条件，包括柱密度和电离度。

提出的方法

• 对 ROSAT 和 EUVE 的软 X 射线数据进行谱拟合，以模拟以氢为主的极帽的热辐射。
• 应用双组分温度模型：中心核心与周围较冷的边缘，结合径向温度分布。
• 使用氢的大气模型解释观测到的 X 射线谱，并推导有效温度。
• 利用观测到的 X 射线吸收和发射特性，估算视线方向上星际氢的柱密度和电离度。
• 将推断出的总光度与脉冲星缝隙模型的理论预测进行比较。
• 结合光变曲线调制，推断发射极帽的几何形状和尺寸。

实验结果

研究问题

• RQ1 J0437--4715 的软 X 射线辐射能否由极帽的热辐射解释？
• RQ2 极帽表面的温度空间分布如何？是否存在非均匀性？
• RQ3 观测到的 X 射线光度和柱密度与脉冲星缝隙模型的预测相比如何？
• RQ4 视线方向上星际氢的电离状态和柱密度是多少？
• RQ5 观测到的 X 射线辐射在多大程度上支持极帽区域存在高温、磁约束等离子体？

主要发现

• 软 X 射线谱最符合以氢为主导的极帽热辐射的解释，其中心核心温度为 (1–2)×10⁶ K，对应半径 0.2–0.4 km。
• 较冷的边缘温度为 (3–5)×10⁵ K，延伸至 2–6 km，表明极帽表面存在非均匀的温度分布。
• 极帽的总总光度为 (1.0–1.6)×10³⁰ erg s⁻¹，与缝隙模型的理论预期一致。
• 推断出的星际氢柱密度为 (1–3)×10¹⁹ cm⁻²，表明吸收较低且电离度较高（>20%）。
• 观测到的 X 射线光变曲线和谱支持辐射起源于极帽，发射区域局限于中子星表面的小范围区域。
• 结果表明，其他毫秒脉冲星也可能存在类似的热 X 射线辐射，尽管在某些情况下可能被非热辐射掩盖。