[論文レビュー] Excitation of wakefield around pulsars

V. I. Berezhiani, Z. Osmanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、1次元線形化モデルを用いて、パルサー周囲のプラズマにおける高エネルギー放射による静電界ウェイクフィールドの励起を調査している。運動量、連続の方程式、ポアソン方程式を用い、放射力が0.01 AUにおけるカブ・タイプのパルサーで最大0.4 keV、若年性ミリ秒パルサーで最大2 keVのポテンシャル差を持つ進行波型ウェイクフィールド構造を生成することを示しており、パルサービンドネビュラにおける顕著な粒子加速可能性を示している。

ABSTRACT

We study the generation of the wakefields by means of the high energy radiation of pulsars. The problem is considered in the framework of a one dimensional approach. We linearize the set of governing equations consisting of the momentum equation, continuity equation an Poisson equation and show that a wavelike structure will inevitably arise relatively close to the pulsar.

研究の動機と目的

• パルサーからの高エネルギー放射が周囲のプラズマに静電界ウェイクフィールドをどのように励起するかを調査すること。
• 支配的となるプラズマ方程式に対する1次元線形化アプローチを用いてウェイクフィールドの生成をモデル化すること。
• 特にカブ・タイプおよび若年性ミリ秒パルサーにおけるパルサービンドネビュラ内での電子加速に寄与するポテンシャル差を推定すること。
• 放射反動力および電荷分離が集団的プラズマ振動を駆動する役割を評価すること。

提案手法

• 放射力が作用するプラズマに対して、運動量方程式、連続の方程式、ポアソン方程式を用いた1次元モデルを構築した。
• 放射力によって駆動される密度揺らぎの波動方程式を導出するために、支配的方程式を線形化した。
• 進行波型ウェイクフィールド構造を解析するため、ξ = x - ct を用いて移動座標系に変換した。
• 解析的に解を得るために、放射力プロファイルを段階的（ステップ型）と仮定した。
• 放射反動力 Frad = σT F / c を用い、F は放射の全放射出力と放射コーンの立体角から導出された。
• 得られた4階微分方程式を解き、プラズマ周波数および放射パラメータに依存するポテンシャル分布 ϕ(β) を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサーからの高エネルギー放射は、周囲のプラズマに静電界ウェイクフィールドを励起できるか？
• RQ2 1次元プラズマモデルにおける誘導されたウェイクフィールドの空間的構造と振幅は何か？
• RQ3 異なるタイプのパルサーにおいて、ウェイクフィールド内での電子加速に寄与するポテンシャル差はどの程度の大きさか？
• RQ4 放射コーンの幾何学的形状と全放射出力は、ウェイクフィールド生成にどのような役割を果たすか？

主な発見

• カブ・タイプのパルサーでは、0.01 AU における捕獲された電子が約0.4 keV のポテンシャル差を経験する。
• 若年性ミリ秒パルサー（P ≈ 0.001 s, ˙P ≈ 10−12 s−1）では、0.01 AU におけるポテンシャル差が最大2 keVに達する。
• ウェイクフィールドのポテンシャルは放射反動力と電荷分離によって駆動され、正規化位置 β の関数として解析的に与えられるポテンシャル分布を持つ。
• モデルは、位相速度が放射の群速度と一致するウェイクフィールドが、電子を効率的に捕獲・加速できることを予測している。
• ポテンシャル差はパルサーの自転周期および自転減速率に強く依存しており、ミリ秒パルサーが粒子加速源として重要な役割を果たす可能性を示している。
• 結果は、パルサービンドネビュラにおける観測されたX線全放射出力および放射コーンの角度と整合しており、この加速メカニズムの現実可能性を支持している。