[論文レビュー] Gamma Rays From Rotation-Powered Pulsars

A. K. Harding|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、回転駆動パルサーにおけるパルス状ガンマ線放射の起源を調査し、観測されたガンマ線および電波放射の特徴を説明するため、極帽子モデルと外部ギャップモデルを比較する。今後のGLASTミッションが、特に外部ギャップモデルにおいて、電波非放射パルサーを多数検出するだろうと予測し、パルサーにおける放射源および粒子加速メカニズムに関する長年の不確実性を解消する。

ABSTRACT

The seven known gamma-ray pulsars represent a very small fraction of the more than 1000 presently known radio pulsars, yet they can give us valuable information about pulsar particle acceleration and energetics. Although the theory of acceleration and high-energy emission in pulsars has been studied for over 25 years, the origin of the pulsed gamma rays is a question that remains unanswered. Characteristics of the pulsars detected by the Compton Gamma-Ray Observatory could not clearly distinguish between an emission site at the magnetic poles (polar cap models) and emission from the outer magnetosphere (outer gap models). There are also a number of theoretical issues in both type of model which have yet to be resolved. The two types of models make contrasting predictions for the numbers of radio-loud and radio-quiet gamma-ray pulsars and of their spectral characteristics. GLAST will probably detect at least 50 radio-selected pulsars and possibly many more radio-quiet pulsars. With this large sample, it will be possible to fully test the model predictions and finally resolve this longstanding question.

研究の動機と目的

• 回転駆動パルサーにおけるパルス状ガンマ線放射の発生源を特定すること—磁気極（極帽子モデル）か、外部磁気圏（外部ギャップモデル）か。
• 25年以上にわたる理論的検討にもかかわらず、依然として解明されていないパルサー内の粒子加速および高エネルギー放射メカニズムに関する長年の不確実性を解消すること。
• コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡（CGRO）の観測制約を用いて、異なる放射モデル下での電波ラウドおよび電波非ラウドガンマ線パルサーの予想数を算出すること。
• 近い将来のGLASTミッションが、電波選別および電波非ラウドパルサーの大規模サンプルを検出する可能性を評価し、競合する放射モデルの決定的検証を可能にすること。

提案手法

• コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡（CGRO）の観測データを分析し、7つの既知のガンマ線パルサーのパルス波形およびスペクトル特性を検討する。
• 放射の幾何学的配置とビーミングパターンに基づき、極帽子モデルと外部ギャップモデルが予測する電波ラウド対電波非ラウドガンマ線パルサーの比率を比較する。
• モデル仮定と検出感度の変動を組み込んだ、電波およびガンマ線パルサー集団のシミュレーションを用いて、モデル予測の妥当性を検証する。
• GLAST、AGILE、Integralなどの将来のミッションの感度、特にGLASTのブラインド周期探索およびパルス状ガンマ線放射の検出能力を評価する。
• 極帽子モデルにおけるオフビームガンマ線放射を検討し、電波ビームが検出不能であっても、高高度からの曲率放射が検出可能である可能性を検討する。
• 地上型チェレンコフ望遠鏡がTeVおよびGeVエネルギー帯でのパルス状放射を検出する可能性を評価し、放射モデルに対する追加の制約を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転駆動パルサーにおけるパルス状ガンマ線放射の主な発生源はどこか：磁気極（極帽子モデル）か、外部磁気圏（外部ギャップモデル）か？
• RQ2 1,000個以上の既知の電波パルサーのうち、なぜわずか7個のガンマ線パルサーしか検出されていないのか。これは放射メカニズムおよびビーミングパターンにどのような意味を持つのか？
• RQ3 極帽子モデルと外部ギャップモデルの間で、電波ラウドおよび電波非ラウドガンマ線パルサーの予想数にどのような差が生じるか。また、それらを区別する観測的テストは何か？
• RQ4 GLASTミッションが電波非ラウドガンマ線パルサーをどの程度検出できるか。また、その結果はパルサー放射モデルにおける長年の曖昧さをどのように解消するか？
• RQ5 極帽子モデルにおけるオフビームガンマ線放射は、特に若いゴールドベルトに位置するEGRET未同定源の一部を説明できるか？

主な発見

• 既知の7つのガンマ線パルサーはすべて電波ラウドであり、ゲミンガを除いては例外的である。すべてのパルサーは若年齢（10^6年未塔）であり、J0218+4232というミリ秒パルサーを除いては例外的である。
• 外部ギャップモデルは、極帽子モデルよりも顕著に高い電波非ラウド対電波ラウドガンマ線パルサーの比率を予測し、GLASTが電波非ラウドパルサーを電波ラウドパルサーの13倍多く検出する可能性がある。
• 極帽子モデルは、GLASTが電波非ラウドパルサーをわずかに多く検出すると予測するが、感度の制限により、電波非ラウド源の約10％しかパルス状ガンマ線放射を検出できない。
• ガンマ線パルスと電波パルスの位相相関関係—電波パルスがしばしばガンマ線パルスを先行する—は、1つの磁気極からのハニーコーンまたは広がったファンビーム幾何学的配置による放射を支持する。
• シミュレーションの結果、極帽子モデルにおけるオフビームガンマ線放射は、やや弱く広がっているが、EGRET未同定源の一部を説明できる可能性がある。特に、近接するゴールドベルト領域に位置する源に顕著である。
• GLASTは少なくとも50個の電波選別パルサーを検出し、さらに多くの電波非ラウドパルサーを検出すると予想され、これにより放射モデルの予測の決定的検証が可能になり、パルサーにおける高エネルギー放射の起源が解明される。