[論文レビュー] Free electron laser in magnetars/Fast Radio Bursts

Maxim Lyutikov|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、磁気星の磁気圏内で相対論的電子・陽電子ビームが自己生成されたウィングル磁場と相互作用することで、高速電波バースト（FRB）を生成する自由電子レーザー（FEL）メカニズムを提案する。このモデルは、超強磁場下におけるビーム・プラズマ相互作用によるコherent放射によって、FRBの主な特徴——同時に発生する高エネルギーバースト、高い放射効率、周波数ドリフト、偏光、間欠的発生——を説明する。

ABSTRACT

We discuss coherent free electron laser (FEL) operating during explosive reconnection events in magnetized pair plasma of magnetar magnetospheres. The model explains many salient features of Fast Radio Bursts/magnetars' radio emission: temporal coincidence of radio and high energy bursts, high efficiency of conversion of plasma kinetic energy into coherent radiation, presence of variable, narrow-band emission features drifting down in frequency, high degree of linear polarization. The model relies on magnetar-specific drifting $e^\pm$ plasma components (which generate wiggler field due to the development of the firehose instability) and the presence of reconnection-generated particle beam with mild Lorentz factor of $γ_b \sim$ few hundred.

研究の動機と目的

• 高速電波バースト（FRB）および磁気星の電波バーストにおけるコherentな電波放射の起源を説明すること。
• 通常の天体物理学的系では放射効率が低いにもかかわらず、中性子星の磁気圏内で相対論的プラズマが極めて効率的かつコherentに電波放射を生成できるメカニズムを解明すること。
• 磁気星特有のプラズマ不安定性および磁気再結合イベントが、自己持続的自由電子レーザー（FEL）を生じる条件を自然に生成することを示すこと。
• 周波数ドリフト、高い線形偏光、間欠的発生といった観測されたFRBの特徴を、物理的に整合性のあるFELモデルを通じて説明すること。
• 電波バーストと高エネルギーバーストの時間的一致を解消する、一連の観測的パズルを解消するメカニズムを提供すること。

提案手法

• モデルは、相対論的電子・陽電子ビーム（γb ~ 数百）が事前に存在するウィングル磁場を通過する自由電子レーザー（FEL）メカニズムを採用する。
• ウィングル磁場は、磁気星磁気圏内のねじれた磁場線に沿って反対方向に流れているe±プラズマ成分における火炎管不安定性によって自己生成される。
• FELは超強磁場ガイド場領域（ωB ≫ ωp, ω）で動作し、サイクロトロン周波数がプラズマ周波数および放射周波数を著しく上回る。
• ウィングル場の集団的バックスキャッタリングが、ウィングル場の力による密度調制を介して発生し、全電子が位相ロックされた放射を放出する。
• 放射周波数はFEL共鳴条件（式13）に従い、ビームのローレンツ因子とウィングル波長によって決定される。
• モデルは、ねじれ角Δφおよび対多重度ℳといったプラズマパラメータに依存し、火炎管不安定性の成長率およびそれに続くウィングル磁場強度を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRBおよび磁気星バーストにおけるコherent電波放射は、磁気星磁気圏内での自由電子レーザー機構によって説明可能か？
• RQ2 磁気星磁気圏内では、どのような物理的条件がFEL作動に必要なウィングル磁場と相対論的ビームを自然に生成するか？
• RQ3 FELモデルは、FRBで観測された周波数ドリフトをどのように説明するか？
• RQ4 なぜ一部のバーストでは電波放射が強く偏光しているが、他のバーストではそうでないのか？
• RQ5 反対方向に流れている対プラズマにおける火炎管不安定性は、超強磁場下でFEL作動を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• ねじれた磁気星磁場線に沿って反対方向に流れているe±プラズマにおける火炎管不安定性が、空間的周期性を持つ自己一貫性のあるウィングル磁場を生成し、FEL作動を可能にする。
• FEL機構は、ビームの運動エネルギーをコherent放射に効率的に変換し、変換効率がビームエネルギーの大部分に達する可能性がある。
• FRBで観測された周波数ドリフトは、ビームの進行に伴い有効なローレンツ因子が減少することで、FEL放射の中心周波数が低下するため生じる。これは式（13）と整合的である。
• 高い線形偏光（最大100％）は、線形偏光のウィングル磁場とFEL領域における一次元的電子運動によって自然に説明される。
• モデルは電波放射の間欠的発生を説明する：十分に高いビームローレンツ因子（γb ≥ 閾値）かつ強い火炎管成長率（高いΔφおよびℳを要する）を有するバーストのみが、観測可能なFEL放射を生成する。
• モデルは、電波バーストと高エネルギーバーストの時間的一致を説明する。同じ磁気再結合イベントがビームを生成すると同時に、ウィングル磁場を生成する不安定性を引き起こす。