[論文レビュー] Alfvén QPOs in Magnetars

Hajime Sotani, Kostas D. Kokkotas+1 more|Oct 5, 2007

Magnetic Properties of Alloys被引用数 60

ひとこと要約

本研究は、2次元数値シミュレーションを用いて、双極子磁場を有する相対論的磁星におけるねじりAlfvén振動を調査し、一貫した周波数比 ~0.6 を示す長寿命の準周期的振動（QPO）の2つの族が存在することを明らかにした。結果から、SGR 1806-20で観測された18 Hzおよび30 HzのQPOは、それぞれ基本的な下位および上位Alfvén QPOであると特定され、双極子磁場強度が3–7×10¹⁵ Gに制約づけられ、26 Hzの周波数は皮膚のℓ=2ねじりモードと関連していることが示された。

ABSTRACT

We investigate torsional Alfvén oscillations of relativistic stars with a global dipole magnetic field, via two-dimensional numerical simulations. We find that a) there exist two families of quasi-periodic oscillations (QPOs) with harmonics at integer multiples of the fundamental frequency, b) the lower-frequency QPO is related to the region of closed field lines, near the equator, while the higher-frequency QPO is generated near the magnetic axis, c) the QPOs are long-lived, d) for the chosen form of dipolar magnetic field, the frequency ratio of the lower to upper fundamental QPOs is ~0.6, independent of the equilibrium model or of the strength of the magnetic field, and e) within a representative sample of equations of state and of various magnetar masses, the Alfvén QPO frequencies are given by accurate empirical relations that depend only on the compactness of the star and on the magnetic field strength. The lower and upper QPOs can be interpreted as corresponding to the edges or turning points of an Alfvén continuum, according to the model proposed by Levin (2007). Several of the low-frequency QPOs observed in the X-ray tail of SGR 1806-20 can readily be identified with the Alfvén QPOs we compute. In particular, one could identify the 18Hz and 30Hz observed frequencies with the fundamental lower and upper QPOs, correspondingly, while the observed frequencies of 92Hz and 150Hz are then integer multiples of the fundamental upper QPO frequency (three times and five times, correspondingly). With this identification, we obtain an upper limit on the strength of magnetic field of SGR 1806-20 (if is dominated by a dipolar component) between ~3 and $7 imes 10^{15}$G. Furthermore, we discuss the implications for the high-density EOS of compact stars. (Abridged)

研究の動機と目的

• 相対論的で2次元の数値シミュレーションを用いて、グローバルな双極子磁場を有する磁星におけるねじりAlfvén振動を調査すること。
• Alfvén QPOがSGR 1806-20のX線尾で観測された低周波数QPOを説明できるかどうかを検証すること。
• コンパクトネス（M/R）および磁場強度に基づいたAlfvén QPO周波数の経験的関係を導出すること。
• 観測されたQPO周波数を用いて、SGR 1806-20の磁場強度および状態方程式（EOS）を制約すること。

提案手法

• 一貫した双極子磁場配置を有する相対論的星における線形化Alfvén振動の2次元数値シミュレーション。
• 一般相対性理論を用い、さまざまな現実的な状態方程式（EOS）を用い、磁場強度を代表的なモデルで変化させた。
• 初期摂動によりAlfvén振動が励起され、時系列データのフーリエ解析によりQPO周波数が抽出された。
• QPO周波数をコンパクトネス（M/R）および磁場強度（B）の関数として、精度4%未満の経験的フィッティング関数が導出された。
• モデルはグローバルな双極子場を仮定しており、皮膚-コア結合や外部磁気圏効果は含まない。
• 独立した非線形シミュレーションとの比較により、基本周波数で良好な一致が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁星におけるAlfvén QPOは、SGR 1806-20のX線尾で観測された18 Hz、26 Hz、30 HzのQPOを説明できるか？
• RQ2 基本的な下位および上位Alfvén QPO間の周波数比は何か？ これは磁場強度や状態方程式に依存しないか？
• RQ3 観測された92 Hzおよび150 HzのQPOは、基本的な上位QPOの高調波と解釈できるか？
• RQ4 QPOデータは、SGR 1806-20の磁場強度および状態方程式にどのような制約を課すか？
• RQ5 26 HzのQPOは、基本的なℓ=2ねじり皮膚モードと整合的か？ これは星の質量および状態方程式にどのような含意をもたらすか？

主な発見

• 2つの異なる長寿命のAlfvén QPO族が存在する：赤道付近（閉じた磁場線）に位置する低周波数モードと、磁気軸付近に位置する高周波数モード。
• 下位QPOと上位QPOの基本周波数比は約0.6であり、磁場強度や平衡モデルに依存しない。
• SGR 1806-20で観測された18 Hzおよび30 HzのQPOは、それぞれ基本的な下位および上位Alfvén QPOであると特定された。
• 92 Hzおよび150 HzのQPOは、それぞれ基本的な上位QPOの3次および5次高調波と特定された。
• 双極子磁場が支配的である限り、SGR 1806-20の磁場強度は3–7×10¹⁵ Gに制約づけられる。
• 26 HzのQPOは、1.4–1.6 M☉の磁星で、硬いまたはやや硬いEOSを仮定した場合、基本的なℓ=2ねじり皮膚モードと整合的である。