[論文レビュー] Magnetospheric "anti-glitches" in magnetars

Maxim Lyutikov|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、X線フレアに伴う急激な減速を示す磁気星1E 2259+586における'反グルーチェ'現象が、一時的かつ局所的な磁気圏の開放（数パーセント程度）に起因し、一時的なトルク増加を引き起こすものであると提案する。この磁気圏再構成は、コロナル・マス・エジェクション（CME）に類似しており、内部クルストのダイナミクスを仮定せず、磁気星におけるタイミングの不規則性を統一的に説明する。

ABSTRACT

We attribute the rapid spindown of magnetar 1E 2259+586 observed by Archibald et al. (2013), termed the "anti-glitch", to partial opening of the magnetosphere during the X-ray burst, followed by changes of the structure of the closed field line region. To account for the observed spin decrease during the X- ray flare all that is needed is the transient opening, for just one period, of a relatively small fraction of the magnetosphere, of the order of only few percent. More generally, we argue that in magnetars all timing irregularities have magnetospheric origin and are induced either by (i) the fluctuations in the current structure of the magnetosphere (similar to the long term torque variations in the rotationally powered pulsars); or, specifically to magnetars, by (ii) opening of a fraction of the magnetosphere during bursts and flares - the latter events are always accompanied by rapid spindown, an "anti-glitch". Slow rotational motion of the neutron star crust, driven by crustal magnetic fields, leads beyond some twist limit to explosive instability of the external magnetic fields and transient opening of a large magnetic flux in a CME-type event, the post-flares increase of magnetospheric currents accompanied by enhanced X-luminosity and spindown rate, changing profiles, as well as spectral hardening, all in agreement with the magnetospheric model of torque fluctuations.

研究の動機と目的

• X線フレアに続く磁気星1E 2259+586における急速な減速（反グルーチェ）を説明すること。これは、内部中性子星ダイナミクスに基づく標準的グルーチェモデルとは矛盾する。
• 磁気星におけるタイミングの不規則性が主に磁気圏的起源であることを確立し、回転駆動パulsarにおけるグルーチェとは区別すること。
• フレア中に一時的な磁気圏の開放が発生することで、大規模な内部構造的変化を要せず、測定可能な減速が生じることを示すこと。
• 観測されたX線放射度の増加、スペクトルの硬化、およびパルス波形の変化を、磁気圏電流の揺らぎと磁力線再配置に関連付けること。
• 長期間のトルク変動と一時的な反グルーチェイベントの両者を、単一の磁気圏モデルで統一的に説明すること。

提案手法

• Lyutikov (2006) の自己相似解を用いて、ねじれた磁場線を持つ力フリーで電流を運ぶ磁気圏構造としてモデル化する。
• フレア中に一時的に磁力線が開放される影響を分析し、磁気圏のわずかな部分（数パーセント程度）が1回転周期にわたり開放され、ネットトルクが生じることを検証する。
• 強い磁場を有するプラズマにおける磁気圏再結合とCMEに類似した噴出を、太陽コロナル・マス・エジェクションに類似した概念として適用する。
• 共鳴コンプトン散乱を用いてスペクトルの硬化を説明し、光子エネルギーの増加を磁気圏内の電流密度と粒子速度に関連付ける。
• 観測されたX線放射度、減速率、スペクトル変化を、磁気圏電流の強さと磁力線の拡張に関連付ける。
• 磁気星のタイミング挙動を回転駆動パulsarと比較し、内部的（グルーチェ）と磁気圏的（反グルーチェ）メカニズムを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線フレアに続く磁気星1E 2259+586における急速な減速（反グルーチェ）の原因は何か？ なぜ通常のパulsarグルーチェとは符号が逆なのか？
• RQ2 磁気圏のわずかな部分の瞬時の開放が、内部中性子星ダイナミクスを仮定せず、観測された減速を説明できるか？
• RQ3 磁気圏電流構造の変化が、X線放射度の増加、スペクトルの硬化、パルス波形の進化をどのように説明できるか？
• RQ4 なぜ磁気星におけるタイミングの不規則性は主にフレアと関連しているが、回転駆動パulsarではそのような現象はまれなのか？
• RQ5 磁気圏電流の揺らぎと磁力線再配置が、磁気星における長期間のトルク変動と一時的な反グルーチェの両者をどの程度まで説明できるか？

主な発見

• 1E 2259+586における反グルーチェ現象（Δν ~ 10⁻⁷ Hz、2週間の期間）は、磁気圏のわずかな部分（数パーセント程度）が1回転周期にわたり一時的に開放されることで説明可能である。
• フレアに続くスペクトルの硬化とX線放射度の増加は、強化された磁気圏電流と熱光子の共鳴コンプトン散乱によって自然に説明できる。
• X線放射度の増加と減速率の相関関係は、磁気圏モデルを支持しており、電流強度の上昇がより強いトルクとより大きなエネルギー散逸をもたらすことを示している。
• このモデルは、フレア中の一時的磁気圏開放が反グルーチェを生じると予測するが、長期間の電流揺らぎは回転駆動パulsarと類似したトルク変動を生じるとも予測する。
• 一部のタイミング事象で顕著な放射異常が観測されないことは、完全な開放を伴わない閉じた磁力線の電流構造の変化でも、タイミングの不規則性が生じ得ることを示唆している。
• 本モデルは、反グルーチェを内部グルーチェではなく磁気圏的現象として説明でき、1E 2259+586のような遅い磁気星において明確な内部成分が欠如しているという問題を解決する。