[论文解读] Study of luminosity and spin-up relation in X-ray binary pulsars with long-term monitoring by MAXI/GSC and Fermi/GBM

M. Sugizaki, T. Mihara+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究利用 MAXI/GSC 的长期 X 射线光 light curves 和 Fermi/GBM 的脉动周期数据，调查了五个 Be X 射线双星脉动星的光度-自转加速关系。结果确认，观测到的自转加速率与光度的关系符合 $ \dot{P}_{\text{spin}} \propto L^{6/7} $，与 Ghosh & Lamb (1979) 的理论模型一致，尽管由于束状辐射和测量不确定性导致轻微离散，所有源的关联因子 $ \alpha $ 均接近理论预测值。

ABSTRACT

We study the relation between luminosity and spin-period change in X-ray binary pulsars using long-term light curve obtained by the MAXI/GSC all-sky survey and pulse period data from the Fermi/GBM pulsar project. X-ray binaries, consisting of a highly magnetized neutron star and a stellar companion, originate X-ray emission according to the energy of the accretion matter onto the neutron star. The accretion matter also transfers the angular momentum at the Alfven radius, and then spin up the neutron star. Therefore, the X-ray luminosity and the spin-up rate are supposed to be well correlated. We analyzed the luminosity and period-change relation using the data taken by continuous monitoring of MAXI/GSC and Fermi/GBM for Be/X-ray binaries, GX 304$-$1, A 0535$+$26, GRO J1008$-$57, KS 1947$+$300, and 2S 1417$-$624, which occurred large outbursts in the last four years. We discuss the results comparing the obtained observed relation with that of the theoretical model by Ghosh \& Lamb (1979).

研究动机与目标

• 调查 Be X 射线双星脉动星中 X 射线光度与自转周期导数之间的经验关系。
• 利用长期观测数据检验 Ghosh & Lamb (1979) 的理论预测 $ \dot{P}_{\text{spin}} \propto L^{6/7} $。
• 通过半经验模型将内在自转加速与轨道多普勒效应从脉动周期变化中分离。
• 评估在具有不同轨道和自转参数的五个 Be XBPs 样本中，观测到的自转加速率与理论预期的一致性。

提出的方法

• 利用 MAXI/GSC 的 2–20 keV 长期光曲线估算球面光度 $ L_{37} $，假设为各向同性辐射并具有典型截断幂律谱。
• 从 Fermi/GBM 脉动星项目获取脉动周期数据，并在已知轨道元素时校正轨道多普勒频移。
• 构建一个半经验模型，结合 GL79 自转加速定律 $ \dot{P}_{\text{spin}} = \alpha L^{6/7} $ 和轨道多普勒效应，使用开普勒轨道元素。
• 通过同时求解内在自转加速和轨道参数，将模型拟合到观测周期数据，其中 $ \gamma = 6/7 $ 固定为理论值。
• 利用最佳拟合的 $ \alpha $ 值与理论 $ \alpha_0 $ 进行比较，评估光度校正和系统参数引起的偏差。
• 将该模型应用于五个 Be XBPs：GX 304–1、A 0535+26、GRO J1008–57、KS 1947+300 和 2S 1417–624，其中轨道元素已知或在拟合中自由浮动。

实验结果

研究问题

• RQ1 Be X 射线双星脉动星中观测到的自转加速率是否遵循 Ghosh & Lamb (1979) 预测的 $ L^{6/7} $ 依赖关系？
• RQ2 在不同 Be X 射线双星系统中，观测到的光度与自转周期变化的相关性与理论模型的匹配程度如何？
• RQ3 光度校正和束状辐射的不确定性在多大程度上影响观测到的 $ \alpha $ 因子与理论预测的偏差？
• RQ4 在样本中，$ \alpha / \alpha_0 $ 比值是否与脉动周期、轨道周期或偏心率存在系统性趋势？
• RQ5 当存在轨道多普勒效应且轨道元素不确定时，能否可靠地从脉动周期数据中提取出内在自转加速信号？

主要发现

• 观测到的自转加速率 $ \dot{P}_{\text{spin}} $ 与光度呈 $ L^{6/7} $ 关系，与 Ghosh & Lamb (1979) 的理论模型一致，$ \gamma = 6/7 $ 得到数据的充分支持。
• 所有五个 Be XBPs 的最佳拟合关联因子 $ \alpha $ 与理论预测 $ \alpha_0 $ 相差不超过约 3 倍，$ \alpha / \alpha_0 $ 范围为 0.28 至 3.2。
• 对于轨道元素未知的 GX 304–1，模型通过浮动轨道参数成功拟合数据，证实了 $ L^{6/7} $ 标度的稳健性。
• $ \alpha / \alpha_0 $ 的离散性归因于球面光度校正的不确定性，尤其是束状辐射效应和谱变异性。
• 在脉动周期或轨道周期上未发现 $ \alpha / \alpha_0 $ 的强系统性趋势，尽管随着更多数据，与偏心率的可能趋势或可显现。
• 该模型成功再现了所有五个源的完整爆发和休眠周期，证明了在光度宽动态范围内 $ L^{6/7} $ 标度的有效性。