[論文レビュー] Electrodynamics of Massless Charges with Application to Pulsars

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|May 15, 2012

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、質量のない粒子が電磁場線に沿って光速で移動し、無限大の放射減衰のためアリストテレス的力学に従う半散乱的理論である質量のない電磁力学（EMC）を提案する。パulsarへの応用において、EMCは、同期軸の回転子の全波長放射光度をスピンダウンパワーのおおよそ50%として正確に予測し、粒子分布を含む完全な運動論理論の基盤をなす、第一原理的なパulsar磁気圏の枠組みを提供する。

ABSTRACT

Electromagnetic field together with zero-mass charges moving in this field form a well-behaved semi-dissipative dynamical system -- Electrodynamics of Massless Charges (EMC). We give equations of EMC, argue that EMC is an adequate theory for calculating pulsar magnetospheres, give an illustrative numerical calculation (showing that bolometric luminosity of an aligned rotator is approximately equal to half the spin-down power). EMC looks like a portion of the full pulsar theory that will resolve the already calculated bolometric luminosity into light curves and spectra.

研究の動機と目的

• エネルギー運動量輸送を回避する、well-behavedで半散乱的な質量のない電荷の電磁力学フレームワークを構築すること。
• EMCが、特に高多重度極限において、パulsar磁気圏の整合的で第一原理的な基盤を提供することを示すこと。
• 異なる基本的仮定を持つにもかかわらず、EMCが強磁場電磁力学（SFE）と同じ磁気圏構造を再現することを示すこと。
• EMCフレームワークにおいて、同期パulsarの全波長放射光度がスピンダウンパワーのおおよそ半分であることを確立すること。これは特定の対生成率に依存しない。
• EMCにおける粒子密度と源項の役割を明確にし、高多重度プラズマ仮定が高導電性下で普遍的結果をもたらすことを示すこと。

提案手法

• EMCは、式(1)で定義されるローレンツ共変でアリストテレス的な方程式により、粒子の速度を定義する。質量のない電荷は、E×Bの方向に光速で移動し、場の不変量E₀とB₀に従う。
• 系は、式(3)〜(5)のマクスウェル方程式を用い、電荷密度ρ₊とρ₋は連続の方程式に従い、対生成／消失の源項Qを含む。
• 源項Qは任意であるが非負であり、質量のない電荷はエネルギーも運動量も持たないため、高多重度プラズマの柔軟なモデル化が可能である。
• 理論は、固定された全プラズマ密度ρ₊ + ρ₋ = |ρ| + fρ₀（fは多重度、ρ₀は基準電荷密度）を仮定することで、同期パulsarに適用する。
• 数値シミュレーションでは、時空を3+1分割し、ポリオイダル磁束、電位、電流を解き、高導電性極限におけるSFEと比較する。
• EMCは、無限大の導電性および特定の対生成ダイナミクスの極限においてSFEに還元されることを示し、既存のパulsarモデルと整合性があることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー運動量輸送を回避する、質量のない電荷のための整合的電磁力学フレームワークを構築できるか？
• RQ2 高導電性極限において、EMCは高導電性SFEと同じ磁気圏構造を再現するか？
• RQ3 EMCフレームワークにおいて、同期パulsarの全波長放射光度は何か？スピンダウンパワーと比べてどうなるか？
• RQ4 なぜEMCにおける任意に選ばれた高多重度プラズマ源Qが、特定のQに依存しない普遍的結果をもたらすのか？
• RQ5 EMCシステムは、特に粒子分布および放射スペクトルの記述において、完全な運動論理論とどのように関係するか？

主な発見

• EMCにおける同期回転子の全波長放射光度は、スピンダウンパワーのおおよそ50%であり、対生成源Qの異なる仮定に対しても一貫した結果となる。
• EMCは半散乱的系であり、電磁エネルギーは減少しうるが、特定の場の配置（例：同期回転子の場合）では正確に保存される。
• EMCにおける高多重度プラズマ仮定は、高導電性下でSFEと同一の磁気圏構造をもたらす。これは、高導電性下で電流密度式(11)が普遍的であるためである。
• EMCは標準パulsarモデルのポインティングフラックスを再現し、エネルギー損失は唯一赤道電流層で発生し、これが全波長放射光度として解釈される。
• 理論は、質量のない電荷の実際の速度が、γ ≫ 1の超相対論的ローレンツ因子のおかげで光速に限りなく近いことを示し、式(1)のアリストテレス的速度則の使用を正当化する。
• EMCは第一原理から導出可能であり、完全なパulsar理論の基盤的要素と見なせる。光子分布関数の導入により、全波長放射光度をスペクトルおよび光曲線に分解する可能性を有する。