[论文解读] The gamma-ray millisecond pulsar deathline, revisited - New velocity and distance measurements

L. Guillemot, D. A. Smith+7 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jan 22, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用 18

一句话总结

本研究通过利用纳夏和韦斯特博克射电望远镜获得的精确自行和测时 parallax 数据，重新审视了伽马射线毫秒脉冲星（MSP）的死亡线，测量了改进后的自转损失光度（$ olde$）和 $ olde$ 光度（$L_\gamma$）。研究识别出 PSR J1730$-$2304 是目前已知能量最低的 $ olde$ 毫秒脉冲星，将实测死亡线定为 $ olde_{ olde\text{death}} \sim 8 \times 10^{32}$ erg s$^{-1}$，尽管测量精度提高，但在低光度区域 $ olde$ 与 $L_\gamma$ 之间仍未发现明显相关性。

ABSTRACT

Millisecond pulsars (MSPs) represent nearly half of the more than 160 currently known $γ$-ray pulsars detected by the Large Area Telescope on the extit{Fermi} satellite, and a third of all known MSPs are seen in $γ$ rays. The least energetic $γ$-ray MSPs enable us to probe the so-called deathline for high-energy emission, i.e., the spin-down luminosity limit under which pulsars (PSRs) cease to produce detectable high-energy radiation. Characterizing the MSP luminosity distribution helps to determine their contribution to the Galactic diffuse $γ$-ray emission. We made use of the high-quality pulsar timing data recorded at the Nançay Radio Telescope over several years to characterize the properties of a selection of MSPs. For one of the pulsars, the dataset was complemented with Westerbork Synthesis Radio Telescope observations. The rotation ephemerides derived from this analysis were also used to search the LAT data for new $γ$-ray MSPs. For the MSPs considered in this study, we obtained new transverse proper motion measurements or updated the existing ones, and placed new distance constraints for some of them, with four new timing parallax measurements. We discovered significant GeV $γ$-ray signals from four MSPs, i.e., PSRs J0740+6620, J0931$-$1902, J1455$-$3330, and J1730$-$2304. The latter is now the least energetic $γ$-ray pulsar found to date. Despite the improved $\dot E$ and $L_γ$ estimates, the relationship between these two quantities remains unclear, especially at low $\dot E$ values.

研究动机与目标

• 通过利用精确的自行和距离测量数据校正谢尔科夫斯基效应，提高 $ olde$ 毫秒脉冲星自转损失光度 ($ olde$) 估计的准确性。
• 通过识别在 $ olde$ 射线中可探测到的最低 $ olde$ 毫秒脉冲星，确定 $ olde$ 射线发射的实测死亡线。
• 在低光度区域研究 $ olde$ 与 $L_\gamma$ 之间的关系，尤其关注辐射几何结构和能量预算变化的影响。
• 通过深度分析 Pass 8 Fermi LAT 数据并使用优化的测时星历表，发现新的 $ olde$ 射线毫秒脉冲星。
• 通过表征其光度分布，评估毫秒脉冲星对银河系弥散 $ olde$ 射线背景的贡献。

提出的方法

• 利用纳夏射电望远镜多年来的高精度脉冲星测时数据，推导旋转星历表并测量选定 $ olde$ 射线毫秒脉冲星的自行。
• 补充使用韦斯特博克综合孔径射电望远镜对一颗脉冲星的观测数据，以提高测时解的准确性。
• 应用测时 parallax 技术，对四颗毫秒脉冲星获得直接距离估计，从而降低 $ olde$ 和 $L_\gamma$ 计算中的不确定性。
• 利用测量的横向速度和距离，对自转损失光度估计值进行谢尔科夫斯基效应校正。
• 使用优化的星历表分析超过六年 Pass 8 Fermi LAT $ olde$ 射线数据，以搜索脉动 $ olde$ 射线辐射。
• 采用 $ olde_{ olde\text{ff}} \simeq \frac{3}{2}\nolde_{\nolde\text{vac}}(1 + \sin^2\alpha)$ 校正公式，以考虑力自由磁层效应对 $ olde$ 的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种最低自转损失光度 ($ olde$) 下，毫秒脉冲星仍能产生可探测的 $ olde$ 射线辐射？
• RQ2 谢尔科夫斯基效应如何影响 $ olde$ 射线毫秒脉冲星的 $ olde$ 和 $L_\gamma$ 估计准确性？
• RQ3 在低 $ olde$ 值区域，自转损失光度 ($ olde$) 与 $ olde$ 射线光度 ($L_\gamma$) 之间是否存在明显相关性？
• RQ4 通过使用改进的测时模型对 Pass 8 Fermi LAT 数据进行深度分析，能否发现新的 $ olde$ 射线毫秒脉冲星？
• RQ5 辐射几何结构和磁层参数在多大程度上影响观测到的 $ olde$–$L_\gamma$ 关系？

主要发现

• 发现了四颗新的 $ olde$ 射线毫秒脉冲星：PSRs J0740+6620、J0931$-$1902、J1455$-$3330 和 J1730$-$2304，其中后者是目前已知能量最低的 $ olde$ 射线脉冲星。
• 实测 $ olde$ 射线毫秒脉冲星死亡线被修订为 $ olde_{ olde\text{death}} \sim 8 \times 10^{32}$ erg s$^{-1}$，显著低于先前估计的 $3 \times 10^{33}$ erg s$^{-1}$。
• 尽管 $ olde$ 和 $L_\gamma$ 的估计精度提高，但在低光度区域仍未发现 $ olde$ 与 $L_\gamma$ 之间的明显相关性，表明辐射物理机制复杂。
• 获得了四次测时 parallax 测量，实现了直接距离估计，从而降低了 $ olde$ 和 $L_\gamma$ 计算的不确定性。
• PSR J1730$-$2304 的自转损失光度为 $ olde \sim 8 \times 10^{32}$ erg s$^{-1}$，标志着可探测 $ olde$ 射线辐射的新下限。
• 本研究证实，$ olde$ 射线毫秒脉冲星在银河系盘面中倾向于为能量最高且距离最近的天体，其中 $\dot{E}/d^2$ 超过 $5 \times 10^{33}$ erg s$^{-1}$ kpc$^{-2}$ 的 75% 均在 $ olde$ 射线中被探测到。