[论文解读] The likely detection of pulsed high-energy gamma-ray emission from millisecond pulsar PSR J0218+4232

L. Kuiper, W. Hermsen+6 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 28

一句话总结

本论文利用康普顿伽马射线天文台上的EGRET仪器数据，首次提供了毫秒脉冲星PSR J0218+4232脉动高能伽马射线辐射的间接证据。将100–1000 MeV光子与精确的射电星历表折叠后，发现具有3.5σ显著性的双峰脉动轮廓，与三个射电脉冲中的两个对齐，其亮度为1.64×10³⁴ erg s⁻¹（占自旋损耗亮度的7%），表明其辐射机制与蟹 pulsar类似，可能源于磁层辐射。

ABSTRACT

We report circumstantial evidence for the first detection of pulsed high-energy gamma-ray emission from a millisecond pulsar, PSR J0218+4232, using data collected with the Energetic Gamma Ray Experiment (EGRET) on board the Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). The EGRET source 3EG J0222+4253 is shown to be spatially consistent with PSR J0218+4232 for the energy range 100 - 300 MeV. Above 1 GeV the nearby BL Lac 3C 66A is the evident counterpart, and between 300 MeV and 1 GeV both sources contribute to the gamma-ray excess. Folding the 100-1000 MeV photons with an accurate radio ephemeris of PSR J0218+4232 yields a double peaked pulse profile with a ~3.5 sigma modulation significance and with a peak separation of ~0.45 similar to the 0.1-10 keV pulse profile.

研究动机与目标

• 研究毫秒脉冲星PSR J0218+4232是否存在脉动的高能伽马射线辐射。
• 确定观测到的伽马射线辐射是否与脉冲星的射电辐射同步相位调制。
• 将PSR J0218+4232的伽马射线和X射线脉动轮廓与蟹 pulsar进行比较，评估其辐射机制的相似性。
• 评估当前伽马射线辐射模型（极冠与外间隙模型）是否与PSR J0218+4232观测到的能谱和亮度特性一致。
• 识别一类新的毫秒脉冲星——II类，其特征为具有硬谱、非热性、高亮度的X射线与伽马射线辐射。

提出的方法

• 分析康普顿伽马射线天文台上的EGRET仪器获取的100–1000 MeV光子数据。
• 利用PSR J0218+4232的精确射电星历表折叠探测到的光子，以搜索与相位锁定的调制信号。
• 评估EGRET源3EG J0218+4232与PSR J0218+4232在100–300 MeV能量范围内的空间位置一致性。
• 将伽马射线脉动轮廓与610 MHz射电轮廓进行比较，以确定伽马射线峰值与射电脉冲的相位对齐情况。
• 在0.1–1 GeV能量范围内，利用涉及距离和立体角的亮度公式，对脉动伽马射线辐射进行能谱与亮度分析。
• 通过将理论模型（极冠与外间隙模型）预测的能谱与效率与实测数据对比，评估其适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR J0218+4232的高能伽马射线辐射中是否存在与射电星历表一致的显著相位调制？
• RQ2 PSR J0218+4232的伽马射线脉动轮廓是否与蟹 pulsar 类似，特别是在形状与相位对齐方面？
• RQ3 伽马射线辐射效率相对于脉冲星自旋损耗亮度的比例如何？与理论预测相比有何差异？
• RQ4 现有的伽马射线辐射模型（极冠与外间隙模型）能否解释PSR J0218+4232观测到的软伽马射线谱（光子指数≈-2.6）与高亮度特性？
• RQ5 PSR J0218+4232与另外两颗毫秒脉冲星（PSR B1821-24与PSR B1937+21）是否构成一类具有相似高能辐射特性的独立脉冲星类别？

主要发现

• 在100–1000 MeV能量范围内，通过将光子与PSR J0218+4232的射电星历表折叠，检测到显著性约为3.5σ的双峰脉动轮廓。
• 伽马射线脉动峰值与610 MHz观测到的三个射电脉冲中的两个相位对齐，表明存在相干辐射机制。
• 在0.1–1 GeV能量范围内，脉动伽马射线亮度为1.64×10³⁴ erg s⁻¹，占脉冲星总自旋损耗亮度的7%。
• 伽马射线谱较软，100 MeV至1 GeV之间光子指数约为-2.6，与极冠与外间隙模型的预测不一致。
• PSR J0218+4232观测到的能谱与亮度特性表明其属于一类新的毫秒脉冲星（II类），具有硬谱、非热性X射线与高亮度伽马射线辐射。
• 测得的伽马射线效率约7%，高于极冠模型的预测值，但与外间隙模型预测值一致；然而，两类模型均无法再现观测到的软谱特性。