[論文レビュー] Evolution of the Magnetic Field in Accreting Neutron Stars

Sushan Konar|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2000

Scientific Research and Discoveries参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、降着する中性子星における磁場の進化を調査し、表皮のオーム散逸と降着駆動加熱が磁場の減少を支配すると提案する。ダイア磁的スクリーニングは、急速な交差不安定性のため効果がなく、降着は初期に急速な磁場減少を引き起こし、その後凍結する。ミリ秒パルサーの形成には、高い降着率、または大きな不純度強度を伴うコア磁束の排出が不可欠である。

ABSTRACT

There has been sufficient observational indication suggesting a causal connection between the binary history of neutron stars and the evolution of their magnetic field. In particular, it is believed that the generation of the low-field millisecond pulsars is a consequence of the processing of normal high-field neutron stars in binary systems. We try to understand the mechanism of field evolution in neutron stars that are members of binary systems with an aim to understand the problem of millisecond pulsar generation. To this end we have looked at four related problems : i. the effect of diamagnetic screening on the final field of a neutron star accreting material from its binary companion; ii. evolution of magnetic flux located in the crust of an accreting neutron star; iii. application of the above-mentioned model to real systems and a comparison with observations; iv. an investigation into the consequences of magnetic flux being initially located in the core of the star and its observational implications.

研究の動機と目的

• 降着歴を経た中性子星における磁場進化のメカニズムを理解すること、特に観測された低磁場系との関連を対象とする。
• 降着物質によるダイア磁的スクリーニングが、外部の電気双極子磁場を顕著に低減できるかどうかを評価すること。
• 降着誘発加熱と質量負荷を受ける中で、表皮磁場の進化をモデル化すること。
• 二重パルサー、ミリ秒パルサー、X線連星の観測と理論的予測を比較すること。
• 自転減速に伴うコア磁束排出の役割を評価し、孤立系および降着系における磁場減少に与える影響を検討すること。

提案手法

• 温度依存電導度を用いたオーム拡산方程式を用いて、中性子星表皮における磁場時間発展をモデル化する。
• 降着誘発表皮加熱を、$\log T = 0.397\log\dot{M} + 12.35$ の関係式を用いて、電気抵抗率の変化を計算する。
• 拡散、スクリーニング、レイノルズ＝ターレイ・不安定性の時間スケールの競合を分析し、磁場埋没の可能性を評価する。
• 複数の二重星段階（孤立段階、ウィンド降着、ロッシュ・ローブ・オーバーフロー：ロッシュ接触段階）を経た磁場進化をシミュレートする。
• 不純度強度 $Q$ を自由パラメータとして用い、表皮およびコア磁束排出モデルにおける抵抗率と崩壊時間スケールを制御する。
• パルサー磁場、年齢、降着率の観測データとモデル出力を比較し、モデルパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着物質によるダイア磁的スクリーニングは、中性子星の外部磁場双極子を顕著に低減できるか？
• RQ2 降着誘発加熱は、表皮磁場のオーム散逸時間スケールにどのように影響を与えるか？
• RQ3 降着中性子星における最終的な表面磁場強度は何かが決定づけるか？また、降着率および初期磁場配置に依存するか？
• RQ4 自転減速に伴うコア磁束排出は、ミリ秒パルサーで観測された低磁場を説明できるか？
• RQ5 二重パルサーおよびX線連星の観測は、中性子星表皮における不純度強度 $Q$ にどのような制約を課えるか？

主な発見

• ダイア磁的スクリーニングは、レイノルズ＝ターレイ不安定性の時間スケールが拡散およびスクリーニング時間スケールよりもはるかに短いため、磁場線の引きずりや埋没を防ぎ、効果がない。
• 降着は、表皮磁場の初期急速減少を引き起こし、これは表皮加熱によるオーム拡散の増加によるものであり、その後は崩壊が著しく遅れる凍結段階に移行する。
• 高い降着率は、より強い表皮加熱、早期の凍結、およびより低い最終表面磁場強度をもたらし、モデルでは降着率と最終磁場強度の間で正の相関が観測される。
• ミリ秒パルサーがコア磁束排出モデルで形成されるためには、不純度強度 $Q$ が1を超える必要があるが、これは $Q \leq 0.05$ である孤立パルサーの制約と矛盾する。
• 表皮モデルでは、低い降着率および長い降着前段階では最終表面磁場が低くなり、初期電流ループが深ければ高い磁場になる。
• 低質量X線連星（LMXBs）は、不純度強度 $Q \geq 0.5$ の場合、$10^8$ G程度の磁場を生成でき、これはミリ秒パルサーの観測と整合的である。