[论文解读] Spin Rates and Magnetic Fields of Millisecond Pulsars

Frederick K. Lamb, Wenfei Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2004

Geophysics and Sensor Technology被引用 4

一句话总结

该论文表明，罗西X射线时变实验望远镜（RXTE）的观测结果揭示，超过二十颗低质量X射线双星（LMXBs）中的中子星具有自转频率和磁场（3×10⁷–3×10⁸ G）与自转驱动毫秒脉冲星一致，强烈支持LMXB中子星是毫秒脉冲星前身体的假设。该发现基于毫秒X射线振荡和千赫兹QPO，这些现象约束了自转频率和磁场，表明在3×10⁻³–1 M_E的吸积率下，自转达到吸积自转平衡状态。

ABSTRACT

Observations made using the Rossi X-ray Timing Explorer have shown that accreting weak-field neutron stars in low-mass X-ray binary systems (LMXBs) produce three distinct types of millisecond X-ray oscillations that can be used to determine the spin rates and estimate the magnetic fields of these stars. These oscillations show that more than two dozen neutron stars in LMXBs have spin rates and magnetic fields in the range that will make them radio-emitting millisecond pulsars when accretion ceases, supporting the hypothesis that neutron stars in LMXBs are the progenitors of the rotation-powered millisecond pulsars. The spins of the 16 known accreting millisecond pulsars in LMXBs are consistent with spin-up to accretion spin equilibrium for magnetic fields ranging from 3 x 10^7 G to 3 x 10^8 G and time-averaged accretion rates ranging from 3 x 10^{-3} MdotE to MdotE, provided these stars have been accreting long enough. The P-Pdot distribution of rotation-powered millisecond pulsars indicates that their initial spins are set by spin-up to spin equilibrium at accretion rates ranging from 10^{-3} MdotE to MdotE or that they never reached accretion spin equilibrium.

研究动机与目标

• 该研究旨在检验中子星在低质量X射线双星（LMXBs）中是否为自转驱动毫秒脉冲星（MSPs）的前身体的假设。
• 旨在利用X射线测时数据确定LMXB中吸积中子星的自转频率和磁场。
• 研究X射线振荡和QPO观测到的自转频率与磁场估计值是否与吸积自转平衡状态下的自转加速一致。
• 评估自转驱动MSP的P–Ṗ分布对前身体吸积历史和磁场演化的影响。
• 通过将观测到的自转频率与吸积模型预测值进行比较，验证吸积力矩理论。

提出的方法

• 该研究使用罗西X射线时变实验望远镜（RXTE）的X射线测时数据，检测并分析吸积中子星中的毫秒X射线振荡。
• 利用三种类型的X射线振荡——周期性振荡、爆发期间近似周期性振荡以及千赫兹QPO对——推断自转频率和磁场强度。
• 自转频率通过相干振荡（185–619 Hz）和QPO频率间隔推导，这些间隔与恒星自转相一致。
• 磁场估计值通过振荡的观测振幅和波形进行约束，相干振荡提供下限（>10⁷ G），爆发振荡和QPO提供上限（<10¹⁰ G）。
• 分析将观测到的自转频率和磁场与理论吸积自转平衡模型进行比较，使用平衡自转频率 ν_eq ∝ (B² / Ṁ)¹ᐟ³ 的公式。
• 将自转驱动MSP的P–Ṗ分布与吸积自转平衡模型的预测进行比较，以推断吸积结束时的初始吸积率和磁场。

实验结果

研究问题

• RQ1 LMXB中的中子星是否具有与自转驱动毫秒脉冲星一致的自转频率和磁场？
• RQ2 LMXB中观测到的X射线振荡和千赫兹QPO是否与典型吸积率下的吸积自转平衡状态下的自转加速一致？
• RQ3 自转驱动MSP的P–Ṗ分布能否通过吸积自转平衡设定的初始自转频率或通过其他自转加速机制来解释？
• RQ4 LMXB中子星中观测到的磁场范围（3×10⁷–3×10⁸ G）是否足以在吸积停止后产生射电辐射的MSP？
• RQ5 LMXB中子星的观测自转分布是否支持其为自转驱动MSP前身体的假设？

主要发现

• 超过二十颗LMXB中的中子星具有185 Hz至619 Hz之间的自转频率，磁场范围为3×10⁷–3×10⁸ G，与自转驱动MSP的参数一致。
• 已知的16颗LMXB中由吸积和核能驱动的MSP具有与吸积率在3×10⁻³–1 M_E、磁场为3×10⁷–3×10⁸ G时的吸积自转平衡一致的自转频率和磁场。
• 自转驱动MSP的P–Ṗ分布与在10⁻³–1 M_E吸积率下由吸积自转平衡设定的初始自转频率一致，或在吸积率较低时未达到自转平衡。
• LMXB中子星的观测自转频率与≥10⁷年时间尺度上的平均吸积力矩一致，表明其具有长期吸积历史。
• 在低吸积率（10⁻⁴ M_E）下，自转平衡线以下缺乏MSP，支持此类恒星无法达到自转平衡的预测。
• 最近在球状星团中发现的两颗MSP（B1821–24和B1820–30A）可能不符合标准RPD模型，表明其本征自转降速率可能较低，或吸积流物理存在偏离。