[论文解读] The first evidence for three-dimensional spin-velocity alignment in pulsars

Jumei Yao, Weiwei Zhu+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究利用FAST对PSR J0538+2817进行高精度计时和闪烁分析，首次提供了脉冲星三维自旋-速度对齐的直接证据。通过测量由散射引起的闪烁图案获得其径向速度，并结合自行运动和X射线环状结构建模，作者发现该脉冲星的自旋轴与速度矢量在三维空间中对齐，挑战了当前的超新星爆发模拟模型。

ABSTRACT

More than 50 years after the discovery of pulsars and confirmation of their association with supernova explosions, the origin of the initial spin and velocity of pulsars remains largely a mystery. The typical space velocities of several hundred km/s have been attributed to "kicks" resulting from asymmetries either in the supernova ejecta or in the neutrino emission. Observations have shown a strong tendency for alignment of the pulsar space velocity and spin axis in young pulsars but, up to now, these comparisons have been restricted to two dimensions. We report here the first evidence for three-dimensional alignment between the spin and velocity vectors, largely based on observations made with the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope of the pulsar PSR~J0538+2817 and its associated supernova remnant S147. Analysis of these and related observations has enabled us to determine the location of the pulsar within the supernova remnant and hence its radial velocity. Current simulations of supernova explosions have difficulty producing such three-dimensional alignment. Our results, which depend on the unprecedented sensitivity of the new observations, add another dimension to the intriguing correlation between pulsar spin-axis and birth-kick directions, thus deepening the mysteries surrounding the birth of neutron stars.

研究动机与目标

• 通过闪烁动力学测量径向速度，确定PSR J0538+2817的三维速度矢量。
• 在二维观测的基础上，检验三维空间中自旋-速度对齐的假设。
• 评估观测到的对齐与当前预测原生反冲速度的超新星爆发模型的一致性。
• 研究各向异性散射在形成次级谱并实现精确运动学测量中的作用。
• 利用多历元FAST观测，约束脉冲星在超新星遗迹S147中的位置。

提出的方法

• 利用在1100 MHz和1400 MHz频段进行的60分钟FAST观测的动态谱和次级谱，分析闪烁图案。
• 使用模型 $ f_{ u} = \theta_{\text{g}} f_t + \frac{\theta_{\text{g}}^2}{2} f_t^2 $ 拟合次级谱中的闪烁弧，提取曲率 $ \theta_{\text{g}} $ 和相位梯度 $ \theta_{\text{g}} $。
• 假设为薄且各向异性的散射屏，从散射屏上的相位梯度推导出脉冲星的径向速度。
• 将径向速度与甚长基线干涉测量（VLBI）数据获得的自行运动相结合，重建完整的三维速度矢量。
• 使用亮度分布映射到次级平面的方法建模次级谱，引入轴比为 $ A_R $ 的各向异性散射。
• 利用关系式 $ A_R^2 = \frac{c}{\tau_{\text{sc}} \theta_{\text{par}}^2} - 1 $，根据观测带宽和时标估算散射各向异性的程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在脉冲星自旋轴与速度矢量在三维空间中对齐的证据？
• RQ2 能否从脉冲星次级谱中的闪烁动力学准确测量径向速度？
• RQ3 各向异性散射在产生次级谱中观测到的中心脊状结构中起什么作用？
• RQ4 观测到的三维对齐与当前超新星爆发模拟的预测相比如何？
• RQ5 能否利用闪烁数据和天体测量数据约束脉冲星在超新星遗迹中的位置？

主要发现

• 脉冲星PSR J0538+2817表现出三维自旋-速度对齐，其偏离角为 $ 3^\circ \pm 6^\circ $，表明自旋方向与反冲方向高度一致。
• 测得的径向速度为 $ v_r = 150 \pm 30 \, \text{km} \, \text{s}^{-1} $，由次级谱中的相位梯度推导得出，与该脉冲星位于S147中的位置一致。
• 散射屏的轴比为 $ A_R \sim 3 $，其长轴与脉冲星的横向速度方向对齐，解释了次级谱中的中心脊状结构。
• 测得的沿速度方向的散射角为 $ \theta_{\text{par}} = 0.70 \pm 0.10 \, \text{mas} $，垂直分量为 $ \theta_{\text{perp}} = 2.1 \, \text{mas} $，证实了强烈的各向异性。
• 由径向速度和自行运动推导出的三维速度矢量，与基于X射线环状结构建模得到的自旋轴对齐（$ \psi_X = 154.0^\circ \pm 5.5^\circ $，$ \zeta_X = 100^\circ \pm 6^\circ $）。
• 观测到的三维对齐与标准超新星爆发模拟结果不一致，后者无法再现如此一致的自旋-反冲对齐。