[論文レビュー] Magnetars and the Chiral Plasma Instabilities

Akira Ohnishi, Naoki Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、核崩壊超新星の過程でパリティ破れの弱い過程によって生じる電子のヘリシティ不均衡に起因するヘリカルプラズマ不安定性が、磁星の中心部に約10^18 Gの磁場を生成・安定化させ得ると提案する。この不安定性はヘリシティ不均衡を大規模な磁場ヘリシティに変換し、長期的な磁場安定性を保証する。これは、特異な物質相を必要とせず、微視的根拠を持つ磁星磁場生成の新規メカニズムを提供する。

ABSTRACT

We propose a possible new mechanism for a strong and stable magnetic field of compact stars due to an instability in the presence of a chirality imbalance of electrons---the chiral plasma instability. A large chirality imbalance of electrons inevitably occurs associated with the parity-violating weak process during core collapse of supernovae. We estimate the maximal magnetic field due to this instability to be of order 10^{18} G at the core. This mechanism naturally generates a large magnetic helicity from the chiral asymmetry, which ensures the stability of the large magnetic field.

研究の動機と目的

• 磁星に見られる超強力で安定した磁場の起源を、従来の化石磁場モデルやダイナモモデルでは説明できない点を解明すること。
• 恒星の核に閉じ込められた純粋な多極磁場が通常は時間とともに崩壊するという問題を扱うこと。
• 磁場安定性の鍵たる大規模な磁場ヘリシティを自然に生成する微視的メカニズムを特定すること。
• 超新星の核崩壊過程における弱い相互作用に起因する電子ヘリシティ不均衡が、強力で相対論的プラズマ不安定性を駆動できることを示すこと。
• このメカニズムが、クォーク物質やフェロ磁性核物質といった特異な物質相を必要としないことの証明

提案手法

• チャーミカル力学理論とチャーミカル磁場効果を用いてヘリカルプラズマ不安定性をモデル化し、チャーミカル化学ポテンシャルμ₅が磁場に比例する電流を駆動することを示す。
• アモールの法則を繰り返し適用することで、波長λが(αμ₅)⁻¹を超えると初期磁場が指数関数的に増大することを示し、不安定性の発生閾値を特定する。
• 異常関係∂ₜj⁵ + ∇·j⁵ = (2α/π)E·Bを用い、チャーミカル電荷N₅と磁場ヘリシティHを結びつけ、Hが概ね保存されることを示す。
• ヘリシティ不均衡からのエネルギー転送を仮定し、不安定性の飽和状態における最大磁場を推定する。
• 飽和状態における磁場ヘリシティをΔH ≈ −(1/α)VΛ³として導出し、大規模なヘリシティが自然に生成されることを示す。
• 電子の質量と有限導電率の影響を評価し、不安定性時間スケールにおいてそれらの効果は劣っていると結論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリカルプラズマ不安定性は、磁星表面磁場約10^15 Gを説明するに十分な強度の磁場を生成できるか？
• RQ2 ヘリカルプラズマ不安定性は、ヘリシティ不均衡をどのように磁場ヘリシティに変換するのか？そして、なぜこれが磁場安定性にとって重要なのか？
• RQ3 この不安定性が、恒星の核で達成可能な最大磁場強度はどの程度か？
• RQ4 このメカニズムは、クォーク物質やフェロ磁性核物質といった特異な物質相に依存しないか？
• RQ5 電子の質量や有限導電率といった散乱効果に対して、この不安定性はどれほど頑健か？

主な発見

• ヘリカルプラズマ不安定性は、磁星の中心部に10^18 G程度の磁場を生成可能であり、これは磁星表面磁場約10^15 Gを説明するのに十分である。
• 磁場の波長λが(αμ₅)⁻¹を超えると、不安定性が指数関数的に増大することが示され、不安定性発生の閾値が特定される。
• 磁場ヘリシティはチャーミカル電荷N₅に比例して自然に生成され、ΔH ≈ −(1/α)VΛ³となる。このため、磁場の長期的安定性が保証される。
• このメカニズムは、チャーミカル異常を介して微視的に磁場ヘリシティを生成するため、磁星においては唯一知られているこのようなメカニズムである。
• 電子の質量や有限導電率の効果は、不安定性時間スケールにおいて劣っているため、磁場増幅の頑健性が示唆される。
• このメカニズムは、核崩壊過程におけるパリティ破れの弱い過程に起因するだけであり、特異な物質相や初期ヘリシティを必要としない。