[论文解读] The Anomalous X-Ray Pulsar 4U 0142+61: A Neutron Star with a Gaseous Fallback Disk

Ünal Ertan, M. Hakan Erkut+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 34被引用 44

一句话总结

本文提出，异常X射线脉冲星4U 0142+61拥有一个由黏性吸积驱动并受中子星X射线亮度照射的气态回落盘，成功再现了从光学到远红外波段的完整连续谱。该模型通过磁层中的盘壳发电机机制，解释了非脉动的盘辐射和脉动的光学辐射，解决了以往盘模型与观测之间的矛盾。

ABSTRACT

The recent detection of the anomalous X-ray pulsar (AXP) 4U 0142+61 in the mid-infrared with the {\it Spitzer} observatory by Z.Wang and coworkers constitutes the first instance of a disk around an AXP. We show, by analyzing earlier optical and near-IR data together with the recent data, that the overall broadband data set can be reproduced by a single model of an irradiated and viscously heated disk.

研究动机与目标

• 调和在4U 0142+61中检测到的盘与存在脉动光学辐射之间的矛盾，这一矛盾曾被认为排除了盘模型的可能性。
• 检验单一、物理上自洽的黏性加热并受照射的气态盘模型是否能再现从光学到远红外波段的完整连续谱能量分布。
• 通过证明动态、活跃的气态盘能够解释所有观测到的辐射成分，挑战Wang等人（2006）提出的被动尘埃盘解释。
• 通过黏性耗散和照射将X射线亮度与吸积率联系起来，为盘提供自洽的能量来源。
• 证明磁层脉冲星辐射可与延伸至光速圆柱区域的盘共存，解决长期存在的理论矛盾。

提出的方法

• 作者分析了来自光学、近红外和中红外波段的多波段数据，包括新的斯皮策观测数据以及早期的光学/近红外数据。
• 他们应用了一个黏性加热并受照射的气态吸积盘模型，其径向温度分布由照射和黏性耗散决定。
• 利用标准黏性吸积盘公式计算盘的亮度，其中照射效率和X射线亮度$L_{\mathrm{X}}$为关键输入参数。
• 该模型将X射线亮度视为吸积驱动，将$L_{\mathrm{X}}$与质量吸积率$\dot{M}_{\mathrm{acc}}$联系起来，从而与黏性加热关联。
• 脉动光学辐射通过基于Cheng与Ruderman（1991）外间隙模型的磁层模型解释，即盘壳发电机机制。
• 该模型通过观测约束进行检验，包括光学波段中缺乏强X射线变异性，以及光学光曲线中观测到的脉动深度。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一气态盘模型能否解释4U 0142+61从光学到远红外波段的整个宽带谱？
• RQ2 在盘-磁层相互作用曾被认为会抑制此类辐射的背景下，如何调和脉动光学辐射与盘的存在？
• RQ3 4U 0142+61中观测到的中红外辐射更可能由被动尘埃盘解释，还是由活跃的、黏性加热的气态盘解释？
• RQ4 照射和黏性加热在塑造盘外区光谱能量分布方面起什么作用？
• RQ5 4U 0142+61的X射线亮度能否一致地归因于吸积，从而与盘的质量流入率关联？

主要发现

• 从光学到远红外波段，4U 0142+61的整个宽带谱均能被一个黏性加热并受照射的气态盘模型良好再现。
• 光学和近红外辐射主要由内盘中的黏性耗散驱动，内区紫外线辐射也有显著贡献。
• 远红外辐射主要由中子星X射线亮度照射主导，尤其在外盘区域。
• 该模型成功将脉动光学辐射解释为磁层盘壳发电机机制的结果，与观测到的100%脉动深度一致。
• 只要偶极分量低于$10^{13}$ G，且更高阶多极矩承载磁星磁场，气态回落盘的存在与中子星强磁场相容。
• Wang等人（2006）提出的被动尘埃盘模型较不可靠，因为它无法解释黏性与稳定机制的来源，也无法解释完整的光谱能量分布。