[論文レビュー] High Energy Emission from Rotation-Powered Pulsars: Outer-gap vs. Slot-gap Models

Kouichi Hirotani|ArXiv.org|Sep 8, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 63被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、回転駆動パルサーにおける高エネルギー放射の自己無撞撃的でマルチフィジックスなモデルを提示する。電場構造、対生成、粒子輸送、放射輸送を同時に解く。外ギャップモデルは、カブスパルサーの観測されたパルス波形とスペクトルを再現するが、対なしギャップの厚さが不十分で、結果として光子線密度が低いため、スロットギャップモデルは失敗する。

ABSTRACT

We explore particle accelerator electrodynamics in the magnetosphere of a rapidly rotating neutron star (NS). We address the importance of a self-consistent treatment of pair production, solving the Poisson equation describing the acceleration electric field, the Boltzmann equations for produced electrons and positrons, and the radiative transfer equation simultaneously. It is demonstrated that the accelerator solution is obtained if we only specify the NS spin period, magnetic dipole moment, magnetic inclination angle with respect to the rotation axis, and the NS surface temperature, and that the solution corresponds to a quantitative extension of previous outer-gap models. We apply the scheme to the Crab pulsar and show that the predicted pulse profiles and phase-resolved spectrum are roughly consistent with observations. Applying the same scheme to the slot-gap model, we show that this alternative model predicts too small photon flux to reproduce observations, because the gap trans-field thickness is significantly restricted by its pair-free condition.

研究の動機と目的

• 回転駆動パルサーにおける高エネルギー放射をモデリングする自己無撞撃的フレームワークの開発。
• 外ギャップモデルとスロットギャップモデルの両方が、観測されたパルサー放射を再現できるかの妥当性を比較する。
• スロットギャップモデルが観測と一致するのに十分な光子線密度を生成できるかを特定する。
• 対生成と電場構造が放射波形をどのように決定するかを調査する。

提案手法

• 加速電場のポアソン方程式、電子および陽電子輸送のボルツマン方程式、放射輸送方程式を同時に解く。
• 対生成の自己無撞撃的取り扱いにより、加速ギャップの構造を決定する。
• モデル入力の指定：中性子星の自転周期、磁気双極子モーメント、磁気傾き角、表面温度。
• カブスパルサーにモデルを適用し、パルス波形と位相分解スペクトルを予測する。
• 観測データと比較して、外ギャップおよびスロットギャップ構成からの予測放射を評価する。
• スロットギャップモデルにおいて対なし条件を強制し、物理的妥当性と線密度出力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対生成、電場構造、放射輸送を含む自己無撞撃的モデルは、回転駆動パルサーの観測された高エネルギー放射を再現できるか？
• RQ2 外ギャップモデルは、カブスパルサーの観測結果と整合するパルス波形とスペクトルを生成するか？
• RQ3 理論的に魅力的であるにもかかわらず、スロットギャップモデルはなぜ観測された光子線密度を再現できないのか？
• RQ4 加速ギャップの厚さがスロットギャップモデルにおける放射にどのように制限を加えるか？
• RQ5 中性子星の表面温度がギャップ構造と放射出力に果たす役割は何か？

主な発見

• 外ギャップモデルは、電場、対生成、放射輸送の自己無撞撃的取り扱いを用いることで、カブスパルサーの観測されたパルス波形と位相分解スペクトルを成功裏に再現する。
• スロットギャップモデルは、対なし条件によって引き起こされる横方向ギャップ厚さの著しい制限のため、観測と一致するには低すぎる光子線密度を予測する。
• 自己無撞撃的解は、自転周期、磁気双極子モーメント、磁気傾き角、表面温度の4つの入力パラメータにのみ依存する。
• 本モデルは、完全な電磁力学と放射輸送を組み込んだことで、従来の外ギャップモデルの定量的拡張を提供する。
• 対生成は、両モデルにおける加速ギャップの構造と効率にきわめて重要な役割を果たす。
• 指定された物理的条件下で、外ギャップ解は安定で自己無撞撃的であるが、スロットギャップ解は観測と一致するのに十分な放射を生成できない。