[論文レビュー] Non-dipolar magnetic field at the polar cap of neutron stars and the physics of pulsar radiation

Andrzej Szary|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、パulsar放射を説明するための部分的スクリーニングギャップ（PSG）モデルを提案する。このモデルは、異なるパulsarにおいて曲率放射（CR）と逆コンプトン散乱（ICS）がギャップ破壊を支配することを示しており、二重メカニズムによりモード変化、パルスの消失、および電波/X線放射の反相関を説明する。ICS支配のギャップは、より高エネルギーの放射と強力なプラズマ噴流を生じる。

ABSTRACT

Despite the fact that pulsars have been observed for almost half a century, many questions have remained unanswered. We use the analysis of X-ray observations in order to study the polar cap region of radio pulsars. The size of the hot spots implies that the magnetic field configuration just above the stellar surface differs significantly from a purely dipole one. We can estimate the surface magnetic field as of the order of $10^{14}\,{ m G}$. On the other hand, the temperature of the hot spots is about a few million Kelvins. Based on these two facts the Partially Screened Gap (PSG) model was proposed to describe the Inner Acceleration Region (IAR). The PSG model assumes that the temperature of the actual polar cap is equal to the so-called critical value, i.e. the temperature at which the outflow of thermal ions from the surface screens the gap completely. We have found that, depending on the conditions above the polar cap, the generation of high energetic photons in IAR can be caused either by Curvature Radiation (CR) or by Inverse Compton Scattering (ICS). This results in two different scenarios of breaking the acceleration gap: the so-called PSG-off mode for CR-dominated gaps and the PSG-on mode ICS-dominated gaps. The existence of two different mechanisms of gap breakdown naturally explains the mode-changing and the pulse nulling. Furthermore, the mode changes of the IAR may explain the anti-correlation of radio and X-ray emission in very recent observations of PSR B0943+10 (Hermsen et al., 2013). Simultaneous analysis of X-ray and radio properties have allowed to develop a model which explains the drifting subpulse phenomenon. According to this model the drift takes place when the charge density in IAR differs from the Goldreich-Julian co-rotational density. The proposed model allows to verify both the radio drift parameters and X-ray efficiency of the observed pulsars.

研究の動機と目的

• X線観測を用いて極磁区領域を分析することで、長年のパulsar放射物理学の問題を解決すること。
• 観測されたホットスポット温度（数MK）と表面磁場（約10^14 G）の乖離、特に純粋な双極子配置とは異なる点を説明すること。
• モード変化、パルスの消失、多波長放射を統合的に説明できる、内側加速領域（IAR）物理学の統一的モデルを構築すること。
• 非双極子磁場がパルス星におけるギャップ構造と放射メカニズムに与える影響を調査すること。

提案手法

• 表面磁場を観測されたホットスポットサイズから磁束保存を用いて推定し、孤立パルス星では約10^14 Gが得られた。
• 極磁区温度が完全スクリーニングの臨界値に近い部分的スクリーニングギャップ（PSG）モデルを適用した。
• ギャップ破壊を二つの異なるメカニズムでモデル化した：曲率放射（CR）支配（PSGオフモード）と逆コンプトン散乱（ICS）支配（PSGオンモード）。
• 粒子および光子の平均自由行程、対生成および光子分裂による減衰係数を計算し、相対論的ビーム効果と歪み効果をカスケードシミュレーションに組み込んだ。
• 光子伝播、サイクロトロン放射、ICS断面積を用いてカスケード発展をシミュレートし、背景光子密度は熱放射から推定した。
• 繰り返しアルゴリズムを用いてギャップ高さとスパーク構造を解析し、周期、磁場、曲率半径が異なるパルス星間で比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性星極磁区上部の非双極子磁場が、加速ギャップの構造と安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 内側加速領域において、曲率放射と逆コンプトン散乱のどちらがギャップ破壊を支配するかを決定づける要因は何か？
• RQ3 二重モード行動（PSGオン／PSGオフ）は、電波パルス星で観測されるモード変化やパルスの消失をどのように説明できるか？
• RQ4 電波とX線放射が反相関を示す（PSR B0943+10で観測されたように）物理的条件は何か？
• RQ5 パルス星の周期、磁場強度、曲率半径の変動が、IARの効率と放射出力にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PSGモデルは、PSR B0943+10における電波とX線放射の反相関を、ICS支配（PSGオン）とCR支配（PSGオフ）のギャップモードの切り替えによって成功裏に説明した。
• PSGオフモード（CR支配）ではギャップが狭く、低エネルギー光子が生成されるが、PSGオンモード（ICS支配）ではギャップが広くなり、高エネルギー放射が生成される。
• PSRs B0628-28、J0633+1746、B0834+06、B0943+10のパルスドリフトパラメータおよびX線光度をモデルが再現し、その予測能力を裏付けた。
• PSGオンモードとPSGオフモードでは、二次的プラズマ密度とエネルギー分布が顕著に異なり、プラズマの枯渇によってパルスの消失が生じることを説明できた。
• PSR B0834+06では、T_s = 1.0 MKおよびR_ws = 1 kmでICS光子が支配的であり、平均自由行程は約100 mであった。これはホットスポット内でのICS効率の高さを示している。
• PSGオフモードにおけるギャップ高さは磁場強度と曲率半径に敏感であり、ギャップ高さが増加するにつれて最小スパーク半幅が減少する傾向を示しており、観測されたサブパルスドリフトと整合的である。