[论文解读] The X-ray emission properties of millisecond pulsars

W. Becker, J. Trümper|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 24

一句话总结

本文利用ROSAT、ASCA和EUVE数据分析了九颗毫秒脉冲星的X射线辐射，发现其X射线谱最符合幂律谱，脉冲轮廓与射电轮廓具有显著相似性。关键结果表明，自转损失功率与X射线光度之间的相关性，以及非热谱，支持大部分辐射具有非热起源，很可能源于这些古老、快速旋转的中子星的磁层或风过程。

ABSTRACT

Until now X-radiation from nine millisecond pulsars has been detected. In the present paper we summarize the observations and show the results of a re-analysis of archival ROSAT data. In addition we present the results of recent observations of PSR J0437-4715 with the ROSAT PSPC and HRI detectors. We show that the pulsed fraction is independent of energy in the range 0.1-2.4 keV. The pulse width as measured at X-ray energies is comparable with that observed in the radio domain. An upper limit for the X-ray luminosity of the pulsar's bow-shock visible in H_alpha is found to be L_x < 2 x 10^29 erg/s (d/180pc)^2. We further report on the discoveries of PSR J1024-0719, J1744-1134 and J2124-3358 with the ROSAT-HRI, making them the first solitary galactic millisecond pulsars detected at X-ray energies. The pulse profile of PSR J2124-3358 shows marginal evidence for a double peak structure. We finally discuss the observed emission properties of the detected millisecond pulsars and conclude that the measured power-law spectra and pulse profiles together with the close correlation between the pulsar's spin-down energy and the observed X-ray luminosity suggests a non-thermal origin for the bulk of the observed X-rays.

研究动机与目标

• 利用档案和新的ROSAT数据，表征毫秒脉冲星的软X射线辐射特性。
• 基于光谱和时域特性，判断X射线辐射是否源自热或非热过程。
• 识别并分析新发现的孤立毫秒脉冲星的X射线辐射，包括PSR J2124−3358。
• 研究脉冲星自转损失能量与观测X射线光度之间的关系，以推断辐射机制。
• 评估脉冲轮廓形态和不同能量 band 中的调制深度对辐射模型区分的重要性。

提出的方法

• 使用EXSAS软件对档案的ROSAT PSPC和HRI数据进行重新分析，以实现源检测和背景减除。
• 应用最大似然法和样条拟合技术提取源计数率，并校正死时间与响应函数响应。
• 采用相位平均光谱拟合方法确定光子指数，当光谱数据可用时采用幂律模型。
• 在无法进行光谱拟合的情况下，利用测量的计数率、假设的距离、吸收柱密度（NH）和光谱指数（α ≈ −2）估算X射线光度。
• 比较射电与X射线脉冲轮廓，以评估相位对齐和辐射几何结构。
• 从射电测时解中计算自转损失功率（Ė），并与观测到的X射线光度比较，以确定X射线效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 毫秒脉冲星的X射线辐射具有何种光谱特性？该特性是否支持热或非热辐射机制？
• RQ2 毫秒脉冲星的X射线脉冲轮廓在相位和形状上如何与射电脉冲轮廓比较？
• RQ3 脉冲星的自转损失光度（Ė）与观测X射线光度之间是否存在相关性？这一相关性对辐射机制有何启示？
• RQ4 在没有双星伴星的情况下，孤立毫秒脉冲星（如PSR J2124−3358）的X射线辐射起源是什么？
• RQ5 观测到的X射线光度和调制深度能否由极帽热辐射解释，还是需要非热过程？

主要发现

• 毫秒脉冲星的X射线辐射最符合幂律谱，表明大部分辐射具有非热起源。
• 在PSR J0437−4715中，脉冲分数在0.1–2.4 keV能量范围内保持能量无关，支持软X射线波段内辐射机制的稳定性。
• PSR J0437−4715的X射线脉冲宽度与射电脉冲宽度一致，表明可能存在共同的辐射区域或几何结构。
• 对PSR J0437−4715相关的Hα弓形激波，测得X射线光度上限Lx < 2×10²⁹ erg s⁻¹。
• PSR J2124−3358的X射线脉冲轮廓显示出微弱的双峰结构迹象，其相位对齐提示其与436 MHz射电轮廓具有相似性。
• 毫秒脉冲星的X射线效率（Lx/Ė）约为0.4–0.6×10⁻³，与年轻、蟹状脉冲星的效率一致，进一步支持非热起源。