A NICER view of the millisecond pulsar PSR J2124$-$3358: evidence for a helium atmosphere

技术摘要：NICER 对毫秒脉冲星 PSR J2124−3358 的观测：氦气大气的证据

问题与动机
确定中子星（NS）的质量和半径对于约束超致密物质的状态方程（EOS）至关重要，而这一领域在地球实验室中是无法触及的。虽然利用 X 射线观测进行的脉冲轮廓建模（PPM）已成功约束了若干毫秒脉冲星（MSP）的性质，例如 PSR J0030+0451 和 PSR J0740+6620，但仍需要对更多源进行分析以收紧 EOS 约束。PSR J2124−3358 是一个孤立的、旋转驱动的毫秒脉冲星，由于其 X 射线辐射微弱且现有数据中背景噪声占主导地位，它是一个具有挑战性的目标。此前的初步分析（例如 S. Bogdanov 等人 2019b）使用了有限的 NICER 数据；本研究旨在通过使用扩展的 NICER 观测和存档的 Chandra 数据进行全面的 PPM 分析，以获得稳健的质量和半径测量值，并研究该源的大气成分。

方法论
作者采用了 X 射线脉冲模拟与推断（X-PSI）软件包，这是一个利用相对论性射线追踪来模拟 X 射线脉冲轮廓的贝叶斯框架。该分析结合了：

• 数据： 约 1.72 Ms 的 NICER 观测数据（2017–2023）以及三组存档的 Chandra ACIS-S 观测数据（2004, 2016）。Chandra 数据用于通过联合拟合来约束 NICER 背景，利用 Chandra 卓越的角度分辨率将源从周围的脉冲星风云（PWN）和弥散背景中分离出来。
• 建模： 研究探索了各种热点配置（单温 [ST]、同心双温 [CDT] 以及代表整体表面的“其他位置”分量）以及两种大气成分：全电离氢和氦。
• 推断： 使用 PyMultiNest 算法进行贝叶斯参数推断。先验设置包括质量（$1.0-3.0 M_\odot$）、半径、距离（基于 EPTP 星震视差测量）以及大气参数。分析考虑了广义相对论效应（光线弯曲、时间延迟）和狭义相对论效应（多普勒频移、像差）。

关键结果

1. 大气成分： 分析表明氦气大气成分优于氢气。对于首选的 ST+CDT 模型，贝叶斯证据显示出对氦气的显著（尽管并非决定性）偏好（$\Delta \log_{10} Z \approx 0.85$）。
2. 质量与半径：
   • 氦气模型： 得出质量 $M = 1.8 \pm 0.5 M_\odot$ 且赤道半径 $R_{eq} = 11.7^{+2.6}_{-3.0}$ km（中位数及 68% 置信区间）。
   • 氢气模型： 结果较低，其中 $M \approx 1.3 M_\odot$ 且 $R_{eq} \approx 10.6$ km。值得注意的是，氢气的质量后验分布在靠近下限先验边界（$1.0 M_\odot$）处，这表明结果可能受到了先验限制的截断。
3. 热点几何结构：
   • 在氦气假设下，首选的 ST+CDT 配置显示热点仅有轻微偏离反极性，表明磁场构型接近中心偶极子。
   • 在氢气假设下，模型倾向于一种显著偏离反极性的配置，这意味着非中心偶极磁场。
4. 背景主导性： 研究证实了 PSR J2124−3358 的 NICER 数据是背景主导的，背景贡献估计占总计数量的 $\sim$77–82%。引入 Chandra 数据对于约束该背景至关重要。

意义与主张
本文声称为孤立 MSP 中存在氦气大气提供了实质性证据，这一发现挑战了 MSP 普遍拥有氢气大气的假设。作者认为，这种氦气成分可能源于在脉冲星回收阶段，通过吸积并随后蒸发掉氢气后的贫氢双星伴星（可能是氦白矮星）。

研究强调，尽管推导出的质量和半径与之前对其他 MSP 的 NICER 结果一致，但由于该源极其微弱、数据受背景主导以及缺乏独立质量测量（因为该脉冲星是孤立的），不确定性仍然很大（半径约为 $\pm 3$ km，质量约为 $\pm 0.5 M_\odot$）。因此，作者指出，这些结果目前还不足以提供足够严苛的约束来显著改进超致密物质的 EOS。他们得出结论，未来的多波段研究，特别是那些结合了无线电和伽马射线脉冲发射以约束磁几何结构的观测，对于进一步确认大气成分并提高物理参数估计的精度是必要的。