[论文解读] The Magnetic Field of the Ultraluminous X-ray Pulsar M82 X-2

Dimitris M. Christodoulou, S. Laycock+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2014

Geophysics and Sensor Technology参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文认为M82 X-2并非奇特的磁星，而是一颗具有中等表面磁场（1–10 TG）的标准中子星，其极端明亮的X射线辐射是由于几何束化效应，而非极端物理机制所致。通过标准吸积模型，论文表明观测到的光度与接近爱丁顿极限的吸积及自转演化一致，解决了其与理论极限之间的表观矛盾。

ABSTRACT

Pulsations were recently detected from the ultraluminous X-ray source X-2 in M82. The newly discovered pulsar has been described as a common neutron star with a 1 TG magnetic field that accretes above the Eddington rate and as a magnetar-like pulsar with a 100 TG magnetic field that is above the quantum limit. We show here that this X-ray source is not exotic in any sense. The standard equations of accretion along field lines predict that, for the measured spin period $P_S$ and spinup rate $\dot{P_S}$, the isotropic X-ray luminosity $L_X$ must be near the Eddington limit (i.e., $L_{X}\approx 3.5 imes 10^{38}$~erg~s$^{-1}$); and that the surface magnetic field $B$, that does not depend on $P_S$, must be modest (i.e., $B_*\approx 1-10$ TG). The observed higher luminosity can be explained by a moderate amount of geometric beaming that occurs in our direction. Other ultraluminous X-ray sources may also turn out to be common pulsars with similar physical characteristics, but since the emission must occur at a favorable angle to the observer, we expect that very few such pulsars will be discovered in the future.

研究动机与目标

• 解决M82 X-2的高X射线光度与中子星吸积理论极限之间的表观矛盾。
• 确定该脉冲星的特性是否与标准中子星物理一致，或是否需要磁星类磁场等奇异解释。
• 评估几何束化是否足以解释观测到的光度，而无需引入超爱丁顿吸积或超强磁场。
• 评估其他极端明亮X射线源是否可能同样是因有利倾角而被观测到的普通脉冲星。

提出的方法

• 应用标准吸积理论沿磁场线建模自转周期和自转加速率的演化。
• 利用自转周期 $P_S$ 和自转加速率 $ abla P_S$，通过标准吸积方程推断各向同性X射线光度 $L_X$。
• 独立于光度，利用自转周期和自转加速率计算表面磁场 $B_*$。
• 引入几何束化效应，以解释沿视线方向的光度增强。
• 将预测的 $L_X$ 和 $B_*$ 与观测值进行比较，以检验其与标准中子星模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 M82 X-2的观测X射线光度是否与中子星的标准吸积理论一致？
• RQ2 基于其自转演化，M82 X-2的表面磁场强度的推断值是多少？
• RQ3 其极端明亮的辐射能否通过几何束化而非极端磁场或超爱丁顿吸积来解释？
• RQ4 其他极端明亮X射线源是否可能同样是因有利视角而被观测到的普通脉冲星？

主要发现

• M82 X-2的各向同性X射线光度 $L_X$ 与爱丁顿极限一致，约为 $3.5 \times 10^{38}$ erg s$^{-1}$。
• 表面磁场 $B_*$ 估计为 $1-10$ TG，表明其为标准中子星而非磁星。
• 由于几何束化，观测到的光度超过各向同性爱丁顿极限，沿视线方向的通量被放大。
• 该脉冲星的自转周期和自转加速率完全符合标准吸积模型，无需引入奇异物理。
• 其高光度并非源于超爱丁顿吸积或超强磁场，而是由于有利的视线几何方向。