[論文レビュー] Astrophysics in Strong Electromagnetic Fields and Laboratory Astrophysics

Sang Pyo Kim|arXiv (Cornell University)|May 31, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 73被引用数 6

ひとこと要約

このレビューでは、強い電磁場（EM）および曲がった時空における量子電磁力学（QED）を検討し、真空極性化やシュヴィンガー対生成といった非摂動的効果に焦点を当てる。磁気星やブラックホール放射といった天体物理学的現象と、超強力レーザーを用いた実験的強力場実験を結びつけ、極限状態における一般相対性理論とQEDの相互作用を強調する。

ABSTRACT

Recent observations of gravitational waves from binary mergers of black holes or neutron stars and the rapid development of ultra-intense lasers lead strong field physics to a frontier of new physics in the 21st century. Strong gravity phenomena are most precisely described by general relativity, and lasers that are described by another most precisely tested quantum electrodynamics (QED) can be focused into a tiny area in a short period through the chirped pulse amplification and generate extremely high intensity electromagnetic (EM) fields beyond the conventional methods. It is physically interesting to study QED phenomena in curved spacetimes, in which both strong gravitational and electromagnetic fields play important roles. There are many sources for strong gravitational and electromagnetic fields in the sky or universe, such highly magnetized neutron stars, magnetized black holes, and the early universe. We review quantum field theoretical frameworks for QED both in the Minkowski spacetime and curved spacetimes, in particular, charged black holes and the early universe, and discuss the QED physics in strong EM fields, such as the vacuum polarization and Schwinger pair production and their implications to astrophysics and cosmology.

研究の動機と目的

• 強い電磁場および重力場下における非摂動的QED効果（真空極性化およびシュヴィンガー対生成）を検討すること。
• 特にリーマン＝ノールストローム型・カー＝ニューマン型ブラックホールおよびde Sitter/反de Sitter空間における、曲がった時空における場の量子論の役割を分析すること。
• これらのQED効果が磁気星や初期宇宙といった天体的対象に与える影響を探索すること。
• チープドパルス増幅を用いた超強力レーザーを用いた実験的天体物理学の可能性と理論的枠組みを調査すること。
• 極限状態におけるホーキング放射、シュヴィンガー効果、真空の二色性の統合的洞察を提示すること。

提案手法

• 曲がった時空内における背景EM場の下で、スカラー場およびスピンル場（クライン＝ゴルドン方程式およびディラック方程式）の場の量子論を定式化する。
• 1ループQED有効作用を用いて、強いEM場における真空極性化および非線形電磁力学をモデル化する。
• 最大対称時空（dS、AdS）における対称性に基づく解析を用い、in/out真空を定義し、対生成率を計算する。
• ミンコフスキー時空および曲がった時空における、傾いたポテンシャル障壁を通る量子トンネル効果を用いて、電場内におけるシュヴィンガー機構を分析する。
• de Sitter空間におけるホーキング放射とシュヴィンガー効果を統合し、アンルおよびギブンズ＝ホーキング温度の幾何平均としての有効温度を特定する。
• 強力な磁場とQEDの相互作用を評価し、真空の二色性およびその中性子星スペクトルからの観測的検出を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気星やブラックホールにおける強い電磁場が、真空極性化をどのように変化させ、非摂動的QED効果を誘発するか？
• RQ2 極限EM場下におけるシュヴィンガー機構が対生成に果たす役割は何か？また、曲がった時空におけるホーキング放射とどのように関連するか？
• RQ3 チープドパルス増幅によって実現された超強力レーザーは、実験的条件下で電子・陽電子対生成の臨界場強度に達する可能性があるか？
• RQ4 真空の二色性および非線形QED効果が、中性子星の光学スペクトルといった天体的観測にどのように現れるか？
• RQ5 de Sitter空間におけるシュヴィンガー効果とホーキング効果の統合的支配を受ける有効温度は何か？また、弱場および強場下での対生成にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 真空の二色性は、中性子星の光学スペクトル測定により、QED効果による真空極性化として観測的に確認された。
• 強い電場下ではシュヴィンガー機構が対生成を支配し、臨界場強度は $ B_c = 4.41 \times 10^{13}\,\mathrm{G} $ で定義される。ここで、電子の静止質量に相当する電位差が1コムプトン波長の長さで与えられる。
• de Sitter空間では、電場に起因する誘導電流は2つの成分から成る：強い場では支配的となるシュヴィンガー効果、弱い場では支配的となるホーキング放射。これらは、アンル温度とギブンズ＝ホーキング温度の幾何平均としての有効温度によって統合される。
• 近似的に極限に近いブラックホールは、ホーキング半径近傍で歪んだ $\mathrm{AdS}$ 時空幾何を示し、電荷を帯びた場の明示的解が得られ、対生成率が増幅される。
• 磁気星表面における磁場エネルギー密度は、1コムプトン体積あたりの電子エネルギー密度の約1000倍に達し、核心部ではさらに大きくなる。これは、中性子星物理学のモデル化にQED補正が必要であることを示唆する。
• CPAレーザーを用いた実験的強力場QED実験は、電子・陽電子対生成の臨界場強度に近づきつつあり、制御された条件下で天体的真空効果を模擬可能となっている。