[论文解读] X-ray Counterparts of Millisecond Pulsars in Globular Clusters

W. Becker, Huang, H. H.+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究利用高分辨率钱德拉望远镜数据，系统分析了球状星团中毫秒脉冲星（MSPs）的X射线对应体，将射电测时位置与X射线源进行交叉匹配。结果表明，球状星团中的MSPs表现出与银河系场星中脉冲星一致的X射线光度，符合 $L_X \sim 10^{-3}\dot{E}$ 关系，表明银河系平面与密集星团中MSPs的X射线辐射特性无显著差异。

ABSTRACT

We have systematically studied the X-ray emission properties of globular cluster millisecond pulsars in order to evaluate their spectral properties and luminosities in a uniform way. Cross-correlating the radio timing positions of the cluster pulsars with the high resolution Chandra images revealed 31 X-ray counterparts identified in nine different globular cluster systems, including those in 47 Tuc. Timing analysis has been performed for all sources corresponding to the temporal resolution available in the archival Chandra data. Making use of unpublished data on M28, M4 and NGC 6752 allowed us to obtain further constraints for the millisecond pulsar counterparts located in these clusters. Counting rate and energy flux upper limits were computed for those 36 pulsars for which no X-ray counterparts could be detected. Comparing the X-ray and radio pulse profiles of PSR J1821-2452 in M28 and the 47 Tuc pulsars PSR J0024-7204D,O,R indicated some correspondence between both wavebands. The X-ray efficiency of the globular cluster millisecond pulsars was found to be in good agreement with the efficiency Lx ~ 10^-3 Edot observed in Galactic field rotation-powered pulsars. Millisecond pulsars in the galactic plane and in globular clusters appear to show no distinct differences in their X-ray emission properties.

研究动机与目标

• 以统一方式评估球状星团中毫秒脉冲星的X射线谱特性与光度。
• 利用高分辨率钱德拉观测数据，识别并表征九个球状星团中MSPs的X射线对应体。
• 评估球状星团中MSPs的X射线效率，并与场星脉冲星进行比较。
• 探究密集星团环境中的MSPs是否表现出与银河系平面中MSPs不同的X射线辐射特性。
• 通过计算未检测到的脉冲星的X射线通量和计数率上限，改进对非检测结果的约束。

提出的方法

• 将MSPs的射电测时位置与高分辨率钱德拉X射线图像交叉匹配，以识别X射线对应体。
• 对档案中的钱德拉数据进行测时分析，研究X射线光 light curves 和脉动轮廓。
• 使用M28、M4和NGC 6752的未发表数据，以改进这些星团中MSP对应体的约束。
• 为36个未检测到X射线对应体的MSPs计算了计数率和能量通量上限。
• 对X射线数据拟合谱模型（黑体、幂律、复合模型），并使用柱密度估计值校正吸收效应。
• 使用线性回归模型将各向同性X射线光度 $L_X$ 与自转损耗功率 $\dot{E}$ 相关联：$\log L_X = (14.49 \pm 4.47) + (0.48 \pm 0.11)\log\dot{E}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团中毫秒脉冲星的X射线谱和光度分布如何？与场星脉冲星相比有何异同？
• RQ2 球状星团中的毫秒脉冲星是否表现出与银河系场星中脉冲星不同的X射线辐射效率？
• RQ3 球状星团中MSPs的X射线光度与自转损耗功率 $\dot{E}$ 之间是否存在相关性？与 $L_X \sim 10^{-3}\dot{E}$ 关系相比如何？
• RQ4 球状星团中MSPs的X射线脉动轮廓是否与其射电脉动轮廓存在对应关系？
• RQ5 非检测结果对MSPs的X射线效率有何影响？上限值如何影响整体光度函数？

主要发现

• 在九个球状星团中，共为31个毫秒脉冲星识别出31个X射线对应体，包括47 Tuc和M28。
• 球状星团中MSPs的X射线效率与银河系场星中旋转驱动脉冲星观测到的 $L_X \sim 10^{-3}\dot{E}$ 关系一致，相关系数为0.68。
• 对于PSR J1824-2452A，2008年钱德拉数据未确认早期数据中观测到的3.3 keV线特征，给出热极帽组分的 $3\sigma$ 上限为 $1.3 \times 10^6$ K。
• 47 Tuc中的脉冲星最适合用热谱或复合（黑体+幂律）谱模型拟合，如PSR J0024-7204O和R中检测到X射线脉动。
• 未发现银河系平面与球状星团中MSPs在X射线辐射特性上存在显著差异，表明其辐射机制相似。
• 球状星团中MSPs的 $L_X$ 与 $\dot{E}$ 散布与更广泛群体一致，表明取向和束流效应可能解释了较暗源中观测到的较低光度。