The physics of magnetar magnetosphereqcs2017/21/h_tong.pdf · Magnetar activities from the CCO in...
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The physics of magnetar magnetosphere: understanding recent magnetar observations from the magnetospheric point of view H. Tong ( 仝号) 2017.2 Xinjiang Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences Homepage: www.escience.cn/people/tonghao For QCS 2017@YITP, Kyoto University
Transcript of The physics of magnetar magnetosphereqcs2017/21/h_tong.pdf · Magnetar activities from the CCO in...
Thephysicsofmagnetar magnetosphere:understandingrecentmagnetar observationsfromthe
magnetospheric pointofview
H.Tong(仝号)2017.2
XinjiangAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences
Homepage:www.escience.cn/people/tonghao
For QCS 2017@YITP, Kyoto University
Content
1. Introduction:what’smagnetars?2. Progressofisolatedmagnetars:
windbrakingofmagnetarsandmagnetarwindnebula
3. Accretingmagnetars
1.Pulsarsandmagnetars(upto2017)1. Rotation-poweredpulsars2. Accretion-poweredpulsars3. Magnetars (?)
• AnomalousX-raypulsars• Softgamma-rayrepeaters
4. Thermal-powered• X-raydimisolatedneutrons(XDINSs)
5. ??• Rotatingradiotransients(RRATs)• CentralCompactObjects(CCOs)• ???,e.g.1987Apulsars
Magnetar is a special kind of pulsarswhy special? how special?
Magnetarsmyfavorite!
updatedfromTong2016
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10#18
10#16
10#14
10#12
10#10
10#8
P"s#
dP!dt"s!s
#
Traditionalmagnetar model(Mereghetti 2008)
Magnetar=1. youngNS(SNR&MSC)2. Bdip>BQED=4.4×1013 G(braking)3. Bmul=1014 -1015 G(burstandsuper-Eddington
luminosityandpersistentemission)
Giantflaresofmagnetars(Mereghetti 2008):1.Spike+pulsatingtail(hundredsofseconds)
2.10^4timessuper-Eddingtonduringthetail(10^42ergs^-1)
Explanation:10^15Gmagneticfieldastheenergypowerandcauseofsuper-Eddingtonluminosity
2.Recentprogressesofmagnetars
• 2010:“lowmagneticfield”magnetar(B<7.5*10^12G)Ferminon-detectionofmagnetars
• 2013:anti-glitch;Galacticcentermagnetar• 2014:accretingmagnetar• 2016:magnetarwindnebula;super-slowmagnetars;magnetaroutburstfromaradiopulsar
Openquestions
Howmagnetars arespundown?• Whysomanytimingeventsinandonlyinmagnetars?
• Unifiedspindown mechanismofpulsarsandmagnetars
My answer: wind braking(Tong, Xu, Song, Qiao 2013, ApJ, 768, 144)
Variousalternatives(Tong&Xu2014AN)
1.NS+twistedmagnetosphere(Thompsonetal.2002;Beloborodov 2009)(fornon-rotatingmagnetars)2.Windbrakingofmagnetars(Tongetal.2013)3.Coupledmagneticandthermalevolution (Vigano+2013)4.Fallbackdiskmodel(Alpar2001)5.Accretioninducedstarquakemodel(Xuetal.2006)
6.Quarknovaremnant(Ouyedetal.2007)7.AccretingWDmodel(Paczynski1990)
Wingbrakingofmagnetars(Tong+2013)
• Insummary
• Magnetism-powered particlewind• WhenLp >>Edot,amuchlowermagneticfield(plushigherordereffects,magnetarcase)
工作3：
Subsequentworks(1)
• Variablespin-downofthesecondlow-Bmagnetar (Tong&2013RAA)
• Radioupperlimitsofonemagnetar (Tongetal.2014RAA)
• Anti-glitchinthewindbrakingmodel(Tong2014ApJ)
• Timingbehaviorofthegalacticcentermagnetar (Tong2015RAA)
• Magnetar windnebula(Tong2016RAA)
Decreasing period derivative of the second low-B magnetar
Tong & Xu 2013 RAA
Scholz+ 2014
Decreasing Pdot a decresing particle wind
Spindown behavior of the Galactic center magnetar, Kaspi+ 2014
1. Decreasing Lx2. Increasing spindown rate•negative correlation betweenLx and Pdot
Changes of polar cap opensing angle, Tong 2015 RAA
Anti-glitchofmagnetar1E2259+586
● Archibald+(2013)Anti-glitch
14 days interval
Anti-glitchinthewindbrakingscenarioTong2014ApJ,citations:19
1.Duetoanenhancedparticlewind2.Anti-glitchalwaysaccompaniedbyradiativeevents
3.Noanti-glitch,butaperiodofenhancedspindown
● Futureanti-gltichwithoutradiativeeventoraverysmalltimescalecanruleoutthewindbrakingmodel
Woods+ 2007
bursts
A period of enhanced spindown
If…
• Anti-glitch:duetoastrongerparticlewind• ??????: aweakerparticlewind/theparticlewinddisappeared
Spindown behavior of intermittent pulsarsLi, Tong+ 2014 ApJ
The first possible magnetar wind nebula (Younes et al. 2016)
Younes et al. 2016
My comments (Tong 2016 RAA)
Openquestions
l 1967:discoveryofpulsars(Hewish,Belletal.)l ~1970:X-raypulsars(accretingneutronstarsinbinarysystems,Giacconietal.)
l 1982:millisecondpulsars(Backeretal.)RecycledneutronstarsvialowmassX-raybinaries
l 1990s:magnetar(Thompson/Duncan,Kouveliotouetal.)
– Whereareaccretingmagnetars?
3. accreting magnetar
Spectraofmagnetars(Abdo etal.2010)
Cutoff?
Mereghetti etal.(2015):comparisonbetweendifferentkindsofobjects
Cuttoffat~130keVfor4U0142+61(Wang,Tong,Guo2014RAA;9yearsIntegraldata)
Conclusion:ultra-relativisticmodelscanberuledout!
Thekeydifferencebetweenmagnetarsandrotation-poweredpulsars:multipole magneticfield!
Nottheirpositions ontheP-Pdot diagram(determined bythemagnetospheric torque)
Evidenceforstrongmultipole fieldinaccretingsystems(Tong&Wang2014):1.magnetar burst2.hardX-raytail3....
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SuperslowX-raypulsarmaynotbeaccretingmagnetars
(Tong&Wang2014)SuperslowX-raypulsarsin HMXBs
Ultraluminous X-raysources(Feng &Soria 2011)
l X-raypointsourcesoffsetfromthenucleiofnearbygalaxies
l Lx=10^39-10^41ergs^-1l Intermediatemassblackhole(100-10000Msun)orsuper-Eddingtonaccretingstellarmassblackholeor...
Pulsation (1.37s)modulatedBytheorbitalmotion (2.5day)
Bachetti etal.2014
Bachetti etal.2014
Theneutronstarisspinning up!Pdot=-2*10^-10Typicalaccretion-powerX-raypulsars
Problem &Difficulity:Howtoexplainthesuper-Eddingtonluminosity (10^40ergs^-1)andspin-uprate?
Accretingmagnetar
Models:accretingmagnetarl Observation:Bachetti etal.(arXiv:1410.3590)1. Eksi etal.(arXiv:1410.5205):accretingmagnetar,smallertorque
duringaccretionequilibrium2. Lyutikov (1410.8745):accretingmagnetar,super-Eddingtonaccretion3. Kluzniak &Lasota (1411.1005):ULXpulsar-->millisecondpulsar4. Tong(1411.3168):accretinglowmagneticfieldmagnetar5. Christodoulouetal.(1411.5434):accretingnormalneutronstar6. Dall'Osso etal.(1412.1834):accretingmagnetar7. Mushtukovetal.(1506.03600):maximumluminosityof10^40ergs^-
18. Guo etal.(1508.00390): massivepulsars(GRresponsibleforthesuper
Eddington luminosity)9. Panetal.(1510.08597):evolutionofaccretingmagnetars10. Fragos etal.(1501.02679),Shao&Li(1502.03905):formation
Accretinglowmagneticfieldmagnetar
l Agedmagnetars aremoreliketobelowmagneticfieldmagnetars (10^6yrs old;consistentwithpopulationsynthesis)
l Super-Eddington luminosityduetothepresenceofstrongmultipole field(e.g.,10^14G)
l Rotationalbehaviorsduetotheinteractionofmuchlowerdipolefield(10^12G)withtheaccretionflow
工作4：吸积磁星
Panetal.2015
citations: 13
subsequent support: Chen 2016, MNRAS
CCO(1E1613)inRCW103(DeLuca+2006)
Peculiarities
1. Variability2. Periodicity(6.6hour)Nature:magnetar!
Problem:P=6.6hr?Sol:fallbackdiskbrakingNewProblems:Accretionpowered?;Pdot?
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• Reaetal.arXiv:1607.04107;D’Aietal.arXiv:1607.04264(appearthesamedayonthearXiv)
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index~1.2(transienthardX-raycomponent,similartomagnetaroutburst)
• outburst:threeoutburstperiod,energyreleasecanbeashighas10^43erg
Burst from the RCW 103 direction, Rea et al. 2016
Outburst from the CCO in RCW 103, D’Ai et al. 2016
NatureofCCOinRCW103
1. amagnetar!2. averyspecialmagnetar comparedwith
magnetars,CCOs,normalneutronsandaccretingneutrons:thelongestspinperiod!
3. amagnetar brakeddownbyafallbackdiskinthepast?
3 weeks later (Aug 6th):
Summary:magnetarsinastrophysics
1. AXP/SGR2. XDINSs:deadmagnetar3. CCO:magnetar-in-waiting/diskbrakeddown
magnetar4. HBPSR:magnetar activitiesalsoseen
(PSRJ1846-0258;andJ1119-6127)5. LowBSGR:magnetar activitiesinnormal
pulsarsinthefuture!6. Magnetars inbinarysystem?(LSI+61,
superslow X-raypulsars,ULXpulsarsetc)
Thankyouverymuch!
