[论文解读] The Proper Motion of the Neutron Star in Cassiopeia A

Tracey DeLaney, Joseph Satterfield|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本研究利用10年期钱德拉X射电望远镜HRC数据（1999–2009年），通过准静止斑块（quasi-stationary flocculi）和一个背景源对图像进行校准，测量了仙后座A中脉冲星的自行运动。尽管受限于参考源稀少以及星云物质形态变化的挑战，仍测得该脉冲星的自行速度为东南方向390 ± 400 km s⁻¹，与根据其偏离星云膨胀中心位置推断出的速度一致。

ABSTRACT

Images from the High Resolution Camera on the Chandra X-ray Observatory were used to measure the proper motion of the neutron star in Cassiopeia A over a baseline of 10 years (1999-2009). One background source and 13 quasi-stationary flocculi were chosen to register the two images. Pixel offsets between features at each epoch were measured using four different statistical methods: Gaussian fitting, centroiding, cross correlation, and the Cash statistic. In many cases the offset measurements disagree in magnitude and/or direction by as much as 1 arcsecond, resulting in large uncertainties. As a result, the measurement for the motion of the neutron star is marginal at 390 +/- 400 km/s in the southeast direction. This motion is typical of the birth velocities of young pulsars and is consistent with the inferred proper motion based on the offset of the neutron star from the center of expansion of the optical ejecta.

研究动机与目标

• 利用高分辨率X射线成像，在10年基线上直接测量仙后座A中脉冲星的自行运动。
• 验证基于脉冲星相对于光学星云膨胀中心偏移7角秒所推断出的运动速度。
• 评估在参考点源稀少且星云物质特征动态变化时，自行测量的可靠性。
• 确定脉冲星的运动方向是否与不对称超新星爆发和诞生冲量的理论模型一致。

提出的方法

• 使用钱德拉X射电望远镜高分辨率相机（HRC）在1999年12月和2009年12月拍摄的图像，其指向和滚动角度几乎完全相同。
• 利用一个背景点源（src2）和13个准静止斑块（QSFs）对1999年和2009年的图像进行图像配准。
• 采用四种统计方法测量特征间的像素偏移：高斯拟合、质心定位、互相关分析和Cash统计量。
• 通过多个QSF和背景源的偏移测量取平均，估算脉冲星的运动，并综合考虑配准和测量的不确定性。
• 利用HRC的像素尺度（0.1318角秒/像素）将像素偏移转换为天体测量运动，并根据3.4 kpc的距离换算为物理速度。
• 通过将配准误差和测量误差按平方和开方的方式进行误差传播，确定最终速度的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10年基线上，仙后座A中脉冲星的自行运动是多少？
• RQ2 测量得到的运动速度与基于脉冲星相对于星云膨胀中心偏移所推断的速度相比如何？
• RQ3 图像配准误差和动态星云物质特征对自行测量可靠性的影响有多大？
• RQ4 脉冲星运动方向是否与X射线和红外星云的双极结构所定义的对称轴一致？
• RQ5 测量得到的运动参数对理解脉冲星诞生冲量物理机制有何启示？

主要发现

• 测得脉冲星在赤经方向的自行速度为-0.02 ± 0.02角秒/年，在赤纬方向为-0.01 ± 0.01角秒/年。
• 在3.4 kpc的距离下，对应横向速度为387 ± 401 km s⁻¹，位置角为121° ± 47°，即大致东南方向。
• 该测量结果与基于脉冲星相对于光学星云膨胀中心偏移7角秒所推断出的350 km s⁻¹、位置角169° ± 8.4°的速度一致。
• 由于不确定性较高（±400 km s⁻¹），该测量结果处于边缘显著水平，主要源于参考源稀少以及QSF形态演化的影响。
• 脉冲星的运动方向与东北-西南方向喷流轴垂直，表明其诞生冲量并非沿喷流轴方向，而可能与其它对称轴（如南北向双极结构）有关。
• 结果支持不对称超新星爆发的模型，其动力学冲量由中等质量与速度不对称性驱动，而非强磁场或喷流方向错位。