[論文レビュー] Modelling Plerion Spectra and their Evolution

Y. A. Gallant, E. VanderSwaluw+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2001

Scientific Research and Discoveries被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、プレリオンスペクトルが二成分の粒子注入によって生じることを提案している。共鳴イオンサイクロトロン波加速は、臨界エネルギーまで硬い電波スペクトル（指数 ~1–1.6）を生成し、相対論的衝撃波におけるフェルミ加速は、やや傾いたX線スペクトル（指数 ~2.2–2.3）をもたらす。3C 58 や G 21.5–0.9 などのプレリオンで観測される低周波数スペクトルの折り返しは、超新星残骸の逆向き衝撃波による圧縮によって説明され、磁場が増加し、シンチロトロン冷却折り返し周波数が低周波数側にシフトする。この現象は、密度の高い周囲環境（n ~ 30 cm⁻³）を必要とする。

ABSTRACT

We review recent theoretical developments on pulsar winds, their nebulae and relativistic shock acceleration, and show how they illuminate unsolved problems in plerion spectra, in particular the multiple spectral breaks in the Crab and the low-frequency breaks of plerions such as G 21.5-0.9 and 3C 58. Recent work on Fermi acceleration theory at relativistic shocks shows that a particle spectral index of 2.2-2.3, compatible with the X-ray spectra of plerions, results under a wide variety of assumptions. If pulsar winds contain ions as well as electrons and positrons, the mechanism of Hoshino et al. (1992), which yields harder spectra, would operate at lower energies and may explain the flat radio spectral indices of plerions. This scenario implies wind parameters in the Crab compatible with the pulsar wind acceleration model of Lyubarsky & Kirk (2001). Recent hydrodynamical simulations of plerion evolution inside SNR blast waves demonstrate that the passage of the reverse shock rapidly compresses the plerion. Using a simple isobaric model, we investigate the influence of the resulting magnetic field compression and decrease in shock radius on the evolution of the plerion spectrum. We suggest that the passage of the reverse shock may explain the low-frequency breaks in 3C 58 and G 21.5-0.9, as well as the increase in 3C 58's radio flux.

研究の動機と目的

• プレリオンにおける平坦な電波スペクトルとやや傾いたX線スペクトルの間にある乖離を解消するため、二重粒子注入メカニズムを同定すること。
• 標準的な進化モデルでは説明できない、3C 58 や G 21.5–0.9 のようなプレリオンにおける低周波数スペクトル折り返しの起源を説明すること。
• 逆向き衝撃波圧縮が、磁場増幅と半径の縮小を通じて観測されたスペクトルの再発光およびスペクトル折り返しを説明できるかどうかを検証すること。
• Lyubarsky & Kirk (2001) のストライプド・ウィンドモデルと対比して、推定されたパルサー・ウィンドのローレンツ因子 (~10³) がそのモデルと整合するかどうかを検討すること。

提案手法

• 共鳴イオンサイクロトロン波加速を用いて粒子注入をモデル化し、臨界ローレンツ因子 γ_crit ~ (m_i/m_e)γ_sh まで硬いパワーロー スペクトル（p ≈ 1–1.6）を生成する。
• 超相対論的衝撃波におけるフェルミ加速理論を適用し、観測と整合するやや傾いたX線注入スペクトル（p ≈ 2.2–2.3）を導出する。
• 等圧流体力学的モデルを用いて、逆向き衝撃波圧縮下でのプレリオン進化をシミュレートし、半径、磁場、および粒子エネルギーの変化を追跡する。
• シンチロトロン冷却折り返し周波数を磁場と電子エネルギーの関数として計算し、圧縮によって折り返し周波数が低周波数側にシフトすることを示す。
• 3C 58 や G 21.5–0.9 における観測された低周波数折り返しに達するための必要周囲密度（n ~ 30 cm⁻³）を推定する。
• クレイブ・ネビュラの中心ワイプス（冷却なし注入）と全体ネビュラとのスペクトル折り返し周波数を比較することで、磁場強度比を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜプレリオンは平坦な電波スペクトル（α_r ≈ 0）を示す一方で、X線スペクトルはやや傾いている（Γ_X ≈ 2.1）のか。このスペクトル折り返しを生じるメカニズムは何か。
• RQ2 標準的プレリオン進化モデルでは再現できない、3C 58 や G 21.5–0.9 で観測された低周波数スペクトル折り返しはどのように説明できるか。
• RQ3 逆向き衝撃波圧縮は、特に電波放射の増加と冷却折り返し周波数のシフトを引き起こすプレリオンのスペクトル進化にどのような役割を果たすか。
• RQ4 3C 58 で観測された電波の再発光は、最近の逆向き衝撃波圧縮に起因するものとみなせるか。これはその拡張歴にどのような含意を持つのか。
• RQ5 推定されたパルサー・ウィンドのローレンツ因子は何か。これは現代のストライプド・ウィンドモデルと整合するか。

主な発見

• クレイブ・ネビュラのX線スペクトル（ガンマ_X ≈ 2.1、p ≈ 2.2）は、相対論的衝撃波におけるフェルミ加速と整合しており、さまざまな輸送仮定下で2.2–2.3のスペクトル指数を生成する。
• プレリオンの平坦な電波スペクトル（α_r ≈ 0）は、共鳴イオンサイクロトロン波加速によって説明され、臨界ローレンツ因子 γ_crit ~ (m_i/m_e)γ_sh で折り返しを示す硬い注入スペクトル指数 p ≈ 1–1.6 をもたらす。
• 3C 58 や G 21.5–0.9 における低周波数折り返しは、周囲密度 n ~ 30 cm⁻³ の高密度環境下で逆向き衝撃波によるプレリオン圧縮が生じる場合にのみ再現可能であり、磁場増強と冷却折り返し周波数の低周波数シフトを引き起こす。
• 3C 58 における観測された電波再発光は、継続的な逆向き衝撃波圧縮に起因するものであり、粒子エネルギーと磁場の増加によりシンチロトロン放射が増加している。
• 推定されたパルサー・ウィンドのローレンツ因子 ~10³ は、Lyubarsky & Kirk (2001) のストライプド・ウィンドモデルと整合するが、Kennel & Coroniti (1984) が提案した低い値（~10²）とは対照的である。
• シンチロトロン損失が最小限の小スケール構造（例：クレイブ・ネビュラのワイプス）では、冷却されない注入スペクトルが反映され、中心部とワイプス部の磁場強度比をスペクトル折り返し周波数の比較によって直接推定できる。