[论文解读] Towards a theory of extremely intermittent pulsars I: Does something orbits PSR B1931 + 24 ?

F. Mottez, J. Heyvaerts+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 28被引用 7

一句话总结

本文研究了一颗围绕PSR B1931+24运行的伴星是否能解释其极端间歇性射电辐射，提出由行星或小天体在35或70天轨道上产生的阿尔芬翼可能调制脉冲星的辐射。然而，作者发现此类轨道模型无法定量再现观测到的自转降速率差异（˙Pon > ˙Poff），从而排除了35/70天轨道周期的可能性。相反，他们提出轨道近日点的70天进动周期——由广义相对论效应引起——可解释这种准周期性，暗示存在一个靠近的小行星群，而非单一质量较大的伴星。

ABSTRACT

We investigate whether one or many companions are orbiting the extremely intermittent pulsar PSR B1931+24. We constrained our analysis on previous observations of eight fundamental properties of PSR B1931+24. The most puzzling properties are the intermittent nature of the pulsar's activity, with active and quiet phases that alternate quasi-periodically; the variation of the slowing-down rate of its period between active and quiet phases; and because there are no timing residuals, it is highly unlikely that the pulsar has a massive companion. Here, we examine the effects that one putative companion immersed in the magnetospheric plasma or the wind of the pulsar might have, as well as the associated electric current distribution. We analysed several possibilities for the distance and orbit of this hypothetical companion and the nature of its interaction with the neutron star. We show that if the quasi-periodic behaviour of PSR B1931+24 was caused by a companion orbiting the star with a period of 35 or 70 days, the radio emissions, usually considered to be those of the pulsar would in that specific case be emitted in the companion's environment. We analysed four possible configurations and conclude that none of them would explain the whole set of peculiar properties of PSR 1931+24. We furthermore considered a period 70 days for the precession of the periastron associated to an orbit very close to the neutron star. This hypothesis is analysed in a companion paper.

研究动机与目标

• 确定行星或小天体伴星是否能解释PSR B1931+24的极端间歇性行为。
• 评估电磁相互作用，特别是阿尔芬翼力，是否能解释活跃期与安静期之间自转降速率差异的观测结果。
• 评估轨道动力学，包括潮汐撕裂和进动，是否能维持观测到的准周期性开/关切换。
• 检验基于伴星的模型与PSR B1931+24全部八个观测特性（P1–P8）的一致性，特别是缺乏测时残差和突变的开/关跃迁。

提出的方法

• 使用阿尔芬翼理论和电磁力方程，模拟假设伴星与脉冲星磁层等离子体或风的相互作用。
• 应用阿尔芬翼力方程（式17）估算伴星周围载流等离子体结构引起的轨道扰动。
• 利用开普勒第三定律和对数微分法，从电磁力引起的半长轴变化推导理论轨道周期导数（˙Porb,theory）。
• 将理论值˙Porb,theory与通过自转降速率差异（˙Pon − ˙Poff）测得的观测值˙Porb,observed进行比较，以检验一致性。
• 评估四种轨道构型：圆形赤道轨道、圆形倾斜轨道、椭圆轨道及类地行星轨道，涵盖不同天体尺寸（行星、小天体、小行星）。
• 分析35天准周期性并非轨道周期，而是轨道近日点进动周期的可能性，使用广义相对论进动公式（式23–24）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在35或70天轨道上的伴星是否能解释PSR B1931+24的准周期性开/关行为？
• RQ2 由伴星产生的阿尔芬翼力是否会产生可测量的轨道周期长期变化，且与观测到的自转降速率差异相匹配？
• RQ3 观测到的自转降速率差异（˙Pon > ˙Poff）是否能通过阿尔芬翼电磁力驱动的轨道演化得到定量解释？
• RQ4 35天调制是否可能代表极近距离轨道的近日点进动周期，而非轨道周期，受广义相对论效应影响？
• RQ5 缺乏测时残差和突变的开/关跃迁对假设伴星的质量、尺寸和轨道构型施加了何种约束？

主要发现

• 阿尔芬翼力模型无法产生足够的轨道周期导数（˙Porb,theory）以匹配观测到的自转降速率差异（˙Pon − ˙Poff），无论伴星尺寸或质量如何均不成立。
• 对于35天轨道周期，理论轨道周期导数至少比观测值小10^8倍，因此排除了伴星具有35或70天轨道周期的可能性。
• 100公里宽天体的模型得出˙Porb,theory = 6.7 × 10^−8，仍远低于所需的5 × 10^−2，表明电磁力过弱，无法解释自转降速率差异。
• 35或70天轨道周期的假设被否定，因其虽满足周期性与无测时残差等其他特性，但无法再现观测到的˙Pon > ˙Poff。
• 提出由广义相对论效应引起的70天近日点进动周期是可行的替代解释，要求伴星非常接近脉冲星，可能位于光速球面以内。
• 进动模型表明，伴星必须是小天体群（如小行星）而非单一质量较大的行星，因为在如此近距离下会发生潮汐撕裂。