geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

13
Geometry of γray loud pulsars from radio observa5ons Simon Johnston, Simon Rookyard and Patrick Weltevrede CSIRO ASTRONOMY & SPACE SCIENCE CSIRO Astronomy and Space Science, Sydney, Australia

Upload: others

Post on 01-Nov-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Geometry  of  γ-­‐ray  loud  pulsars  from  radio  observa5ons  Simon  Johnston,  Simon  Rookyard  and  Patrick  Weltevrede  

CSIRO  ASTRONOMY  &  SPACE  SCIENCE  

CSIRO  Astronomy  and  Space  Science,  Sydney,  Australia  

Page 2: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Mo5va5on  • Where  does  the  pulsar  gamma-­‐ray  emission  come  from?  • Where  does  the  pulsar  radio  emission  come  from?  •  How  are  the  two  linked?  à Geometry  is  the  key  to  unlock  these  secrets!    

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

Important angles are: α – angle between the rotation and magnetic axis β – closest approach of line of sight to magnetic axis ρ – cone opening angle

Page 3: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Mo5va5on  • Where  does  the  pulsar  gamma-­‐ray  emission  come  from?  • Where  does  the  pulsar  radio  emission  come  from?  •  How  are  the  two  linked?  à Geometry  is  the  key  to  unlock  these  secrets!    

Expecta5ons  •  γ-­‐ray:  High  α  expected  for  γ-­‐ray  loud  (young)  pulsars.  •  Radio:  Random  distribuSon  of  α  at  birth  à  sinusoidal  distribuSon  as  observed.  Beaming  fracSon  higher  for  high  α.  β  is  small  in  radio  pulsars.  •  γ-­‐ray+radio:  Expect  strong  bias  towards  high  α  in  the  sample.  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

Page 4: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

The  Parkes  Fermi  5ming  programme  •  Started  in  February  2007  [pre-­‐launch]  •  Patrick  Weltevrede,  Ryan  Shannon,  Ma^hew  Kerr  postdocs  •  165  pulsars,  vast  majority  with  Edot  >  1034  erg/s  •  Observe  every  month  for  21  hours  at  1400  MHz  •  And  every  6  months  at  700  and  3100  MHz  

•  Timing  soluSons  sent  to  Fermi  collaboraSon  • Wealth  of  science  from  radio  data  alone  •  Full  polarizaSon  profiles  à  pulsar  geometry  •  Dispersion  measure  versus  Sme  •  Profile  variability  versus  Sme  •  Timing  noise  and  glitches  •  Limits  on  planets  etc  etc  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

Page 5: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

PuOng  it  together:  PSR  1420-­‐6048  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

Best  fit:  α~20,  β~3  

Page 6: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Results  –  25  γ-­‐ray  detected  pulsars  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

SURPRISE!!    We  find  low  values  of  α  with  more  than  ½  the  pulsars  showing  α  <  40  contrary  to  expectaSons  (dashed  line).  

15/25  gamma-­‐ray  detected  pulsars  have  α  <  40  deg  !  

Page 7: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Results  

Problem  in  a  nutshell:  The  radio  profiles  are  too  wide  for  the  pulsars  to  be  close  to  orthogonal  rotators.  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

SURPRISE!!    We  find  low  values  of  α  with  more  than  ½  the  pulsars  showing  α  <  40  contrary  to  expectaSons.  

15/25  gamma-­‐ray  detected  pulsars  have  α  <  40  deg  !  

Page 8: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Our  solu5on  (a^er  trying  many  things)  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

 α  now  consistent  with  a  random  (sinusoidal)  distribuSon  at  birth.  

Make  the  polar  cap  extend  beyond  its  nominal  radius  and  make  it  dependent  on  α  

Page 9: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Results  –  Part  2  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

(1)  Gamma-­‐ray  detected  pulsars  have  smaller  (radio)  widths  than  non  gamma-­‐ray  detected  pulsars.  

(2)  Gamma-­‐ray  peak  separaSon  and  radio  width  are  related  

Page 10: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Summary  –  I.  • Geometry  is  criScal  to  understanding  the  emission  we  see  from  pulsars  (cf  latest  force-­‐free  models).  • We  have  developed  a  method  for  deriving  robust  values  of  α  and  β.  • DistribuSon  of  α  is  very  different  than  our  expectaSons  for  γ-­‐ray  detected  pulsars  • Either  •  α  really  is  small  à  γ-­‐ray  models  have  problems  •  Radio  polarizaSon  info  is  misleading  à  radio  models  have  problems  •  Fix  by  postulaSng  emission  from  outside  the  convenSonal  polar  cap  region.  ImplicaSons  for  joint  radio/γ-­‐ray  modeling.  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

Page 11: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Summary  –  II.  • All  the  high  Edot  pulsars  emit  γ-­‐rays  BUT  • α  is  smaller  for  non  γ-­‐ray  detected  pulsars  and  this,  coupled  with  small  β  is  the  reason  for  their  non-­‐detecSon  in  γ-­‐rays  (see  also  Guillemot  &  Tauris  2014  for  MSPs!).  • Narrow,  widely  space  double  γ-­‐ray  profiles  suggesSve  of  high  α  indeed  have  narrow  radio  profiles.  • Radio  emission  height  is  Edot  dependent  (cf  the  Karastergiou  &  Johnston  beam  model).  

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston  

Page 12: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

ASTRONOMY    &  SPACE  SCIENCE  Simon  Johnston  Head  of  Astrophysics  t  +61  2  9372  4573  e  [email protected]  w  www.atnf.csiro.au  

Thank  you  

CSIRO  ASTRONOMY  &  SPACE  SCIENCE  

Read  the  papers!  Rookyard  et  al.  astro-­‐ph  1410.3294  (data  paper)  Rookyard  et  al.  astro-­‐ph  1410.3310  (interpreta5on  paper)  Rookyard  et  al.  just  submided  (comparison  paper)  

Page 13: Geometryof γrayloudpulsarsfromradioobservaons

Bonn  Neutron  Stars  -­‐  June  2016  |  Simon  Johnston