[論文レビュー] Electrodynamics and Radiation from Rotating Neutron Star Magnetospheres

J. Pétri|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 82被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、回転する中性子星磁気圏における電磁力学および放射の研究を行い、相対論的コローション効果と放射メカニズムに焦点を当てる。放射の偏光角のずれが放射発生高さを制約し、放射反動を含む完全な電磁場における粒子軌道を計算したモデルを支持するものであり、単純なコローションモデルを排除する。

ABSTRACT

Neutron stars are compact objects rotating at high speed, up to a substantial fraction of the speed of light (up to 20% for millisecond pulsars) and possessing ultra-strong electromagnetic fields (close to and sometimes above the quantum critical field of 4.4 × 10 9 T ). Moreover, due to copious e ± pair creation within the magnetosphere, the relativistic plasma surrounding the star is forced into corotation up to the light cylinder where the corotation speed reaches the speed of light. The neutron star electromagnetic activity is powered by its rotation which becomes relativistic in the neighborhood of this light cylinder. These objects naturally induce relativistic rotation on macroscopic scales about several thousands of kilometers, a crucial ingredient to trigger the central engine as observed on Earth. In this paper, we elucidate some of the salient features of this corotating plasma subject to efficient particle acceleration and radiation, emphasizing several problems and limitations concerning current theories of neutron star magnetospheres. Relativistic rotation in these systems is indirectly probed by the radiation produced within the magnetosphere. Depending on the underlying assumptions about particle motion and radiation mechanisms, different signatures on their light curves, spectra, pulse profiles and polarization angles are expected in their broadband electromagnetic emission. We show that these measurements put stringent constraints on the way to describe particle electrodynamics in a rotating neutron star magnetosphere.

研究の動機と目的

• 相対論的に回転する中性子星磁気圏の電磁力学を理解すること。
• パulsar磁気圏における粒子運動と放射の現在のモデルに見られる矛盾を解消すること。
• 観測的制約（特に電波パルス波形および偏光データ）を用いて、粒子軌道の理論的モデルを精緻化すること。
• 磁気圏モデルにおけるコローション仮定の妥当性を評価し、放射反動の役割を検討すること。

提案手法

• 慣性系と回転系の間の電磁場を関係付けるために、正規直交基底ベクトルとローレンツ変換を用いた相対論的回転座標系形式を用いる。
• 回転系におけるマクスウェル方程式と場の変換を適用し、ローレンツブーストを介して電場および磁場の変換を導出する。
• 放射反動力も含む完全な電磁場を用いて、数値的に粒子軌道を計算する。
• 相対論的粒子からの曲率放射、シンクロtron放射、および逆コンプトン放射といった放射メカニズムを分析する。
• 観測された電波パルス波形および偏光角のずれ（例：∆φ ≈ 4r/rL）を、放射発生高さおよび磁力線の幾何構造の制約に用いる。
• 代替モデル（コローションのみ、磁力線の引きずり、自己整合的放射反動軌道）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的回転および電磁場変換が中性子星磁気圏における粒子運動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜ観測された電波偏光角のずれが単純なコローションモデルと矛盾するのか？
• RQ3 放射反動がパルサー磁気圏における粒子軌道および放射をどのように形作るのか？
• RQ4 多極子的または中心からずれた磁場が光速円筒外での放射および回転減速放射率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 パルス波形および偏光からの観測的制約が、正しい粒子軌道モデルを一意に特定できるか？

主な発見

• 観測された電波偏光角のずれ∆φ ≈ 4r/rLは、慣性系においてコローションに引きずられた磁力線に沿って発生した光子によって最もよく説明される。これは、回転座標系における歪み（aberration）によるものではない。
• 単純なコローションモデルでは、パルス波形の中心と偏光角の変曲点の間の時間遅れを再現できない。
• 完全な電磁場に放射反動を含めた計算により得られた粒子軌道は、最も自己整合的かつ観測的に妥当な状況を提供する。
• 光速円筒外では、多極磁場成分が急速に減衰（1/rℓ+2に比例）し、ドーナツ型磁場が支配的になり、磁気圏全体の構造に与える影響が小さくなる。
• 一般相対論的効果は光速円筒外では弱く保たれ、大多数のパルサー系において特殊相対論的モデルの有効性が維持される。
• 準静的磁気圏と相対論的ウィンドの間の遷移領域は、光速円筒を超えた物理的回転座標系の欠如により、依然として十分に記述されていない。