[論文レビュー] Amazing properties of giant pulses and the nature of pulsar's radio emission

V. A. Soglasnov|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、カブ・パulsarおよびミリ秒パulsar B1937+21の巨大パルスが、ピーク放射度密度が100万Jyを超える観測的証拠を提示しており、これにより、既知の最もエネルギーの高い電波放射の一つとされる。著者らは、これらのパルスが強い磁場内でのシンクロtron放射を通じて、超効率的な粒子加速器として機能し、相対論的対生成カスケードを引き起こし、パルサー磁気圏内での自己持続的放射過程を引き起こす可能性があると提唱する。

ABSTRACT

For comprehensive studying of giant pulses (GPs) from the Crab pulsar and the original millisecond pulsar (MSP) B1937+21 (J1939+2134), we conducted multifrequency observations over the last few years. They show that giant pulses may be improbably bright, 10^5, 10^6 Jy and more, they have extra ordinal spectra and polarization. EM energy concentrated in such strong pulse is high enough to accelerate particles up to Lorenz factor gamma ~ 10^4 - 10^6, since giant pulses may play an important role in physics of pulsar's magnetosphere.

研究の動機と目的

• マルチ周波数かつ高時間分解能観測を用いて、カブ・パルサーおよびMSP B1937+21における巨大パルス（GPs）の極端な性質を調査すること。
• このような強度が高く短時間の電波放射を可能にする物理的メカニズムを特定し、パルサー磁気圏内での役割を解明すること。
• 巨大パルスが効果的な粒子加速器として機能し、カスケード的対生成を引き起こす可能性があるかどうかを検討すること。
• これらのパルスが長周期パルサーにおける通常のパルス電波放射生成に与える影響を評価すること。

提案手法

• Arecibo、GBT、WSRT、UTR-2を含む複数の電波望遠鏡を用いて、20 MHzから5 GHzの周波数範囲で長期間にわたるマルチ周波数観測を実施した。
• Mk5A、S2、K5を用いた高帯域幅・高時間分解能データ取得システムを採用し、8–16 nsのサンプリングと6–12時間の連続記録を実現した。
• 生データに対してコherentlyな分散補正を適用し、パルス構造を保持するとともに、正確な放射度密度測定を可能にした。
• ナノ秒スケールの時間分解能を用いて、パルス波形、強度分布、偏光の時間変化を分析した。
• シンクロtron放射理論を用いて、強い磁場内における高強度電磁波と相対論的プラズマの相互作用をモデル化した。
• 対生成と波の増幅を含むフィードバックループを介した自己持続的放射の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブ・パルサーおよびMSP B1937+21における巨大パルスの極端な放射度密度と持続時間は何か？
• RQ2 巨大パルスの偏光特性はナノ秒スケールでどのように変化するか？また、これは放射領域のサイズに何を示唆するか？
• RQ3 強い磁場内でのシンクロtron放射によって、巨大パルスが相対論的電子・陽電子対を生成できるか？
• RQ4 巨大パルスがパルサー磁気圏内で効果的な粒子加速器として機能するための物理的メカニズムは何か？
• RQ5 なぜ巨大パルスは大多数の長周期パルサーで観測されないのか？また、これは通常の電波放射へのエネルギー移動とどのように関係するか？

主な発見

• カブ・パルサーの巨大パルスは、ピーク放射度密度が100万Jy（10^6 Jy）を超えることを確認した。30時間の観測中に複数回検出された。
• カブ・パルサーおよびMSP B1937+21の強い巨大パルスは、10ナノ秒未塔の固有持続時間を示しており、コンパクトな領域からの放射を示している。
• 巨大パルスの偏光は、10–20ナノ秒の短い時間間隔で急速に変化しており、空間的に異なる、高コherentlyな領域からの放射を示している。
• 強い磁場（カブ・パルサーでは10^12 G）内での高強度電磁波とプラズマの相互作用により、粒子がローレンツ因子γ ~ 10^4–10^6に加速される可能性がある。
• 加速された粒子からのシンクロtron放射は、対生成を引き起こし得る。両パルサーで対生成の閾値エネルギーが超えている。
• 自己持続的メカニズムが提案され、巨大パルスが対生成カスケードを引き起こし、二次的な巨大パルスを生成し、持続的放射を生じる可能性がある。