[論文レビュー] On the corona of magnetars

Yuri Lyubarsky, David Eichler|ArXiv.org|Jun 25, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、磁気星からの持続的硬X線および軟ガンマ線放射が、超強磁場内での衝突的ランダウ準位励起および電子・陽電子対生成によって形成される高温で拡張したコロナに起因すると提案する。これは、衝突なし不安定性とは異なり、磁場線に沿って加速された電子が衝突過程を経てエネルギーを失い、高エネルギーで表面を脱出することで、コンプトン化およびブレムストラahlungによって力率スペクトル（光子指数1 < α < 2）を形成し、観測されたMeVエネルギー領域までの非熱的放射を説明する。

ABSTRACT

Slow dissipation of non-potential magnetic fields in the magnetosphere of the magnetar is assumed to accelerate particles to hundreds MeV along the magnetic field lines. We consider interaction of fast particles with the surface of the magnetar. We argue that the collisionless dissipation does not work in the atmosphere of the neutron star because the two-stream instability is stabilized by the inhomogeneity of the atmosphere. Rather, the dominant dissipation mechanism is collisional Landau levelexcitations followed by pair production via the deexcitation gamma-rays ultimately leading to electrons with the energy below the Landau energy. We show that, because of the effects of the superstrong magnetic field, these electrons could emerge from the surface carrying most of the original energy so that a hot corona arises with the temperature of 1 - 2 MeV. This extended corona is better suited than a thin atmosphere to convert most of the primary beam energy to non-thermal radiation and, as we show, most of the coronal energy release is radiated away in the hard X-ray and the soft gamma-ray bands by Comptonization and bremsstrahlung. The radiation spectrum is a power-law with the photon index $1

研究の動機と目的

• ソフトガンマ反復爆発源および異常X線パulsarから観測された持続的非熱的硬X線および軟ガンマ線放射の起源を説明すること。
• 衝突なし二重流れ不安定性モデルの不一致を解消すること。このモデルでは観測された硬バンド放射度の約25%しか説明できない。
• 超強磁場内での衝突的過程が、硬バンドで大部分のビームエネルギーを放射可能な高温で拡張したコロナを形成できるかどうかを調査すること。
• ランダウ準位励起および対生成が、高高度での電子脱出およびエネルギー沈殿を可能にする役割を評価すること。

提案手法

• 超強磁場（B ~ 10^15 G）下での中性子星大気における粒子ビームの相互作用を分析し、衝突的散逸メカニズムに焦点を当てる。
• 電子のエネルギー損失を衝突的ランダウ準位励起にモデル化し、その後の脱励起ガンマ線放射および対生成を含める。
• 相対論的不変量および散乱の方向依存性を組み込んだ相対論的運動方程式を用いてコンプトン化を記述する。
• 磁化プラズマに適応した修正型コンパネーツ型方程式を用いて、定常状態の光子分布関数を導出する。
• 定常状態における光子スペクトルの輸送方程式を解き、散乱核の反対称性によりα > 1の力率解が可能であることを示す。
• フリードホルムの補題を適用して、α = 1の非自明解の存在を証明し、硬力率スペクトルの形成を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気星の大気内での衝突的過程が、観測された硬X線および軟ガンマ線放射を放射可能な高温コロナを形成できるか？
• RQ2 なぜ二重流れ不安定性は中性子星の大気の不均一な環境では効果を示さないのか。代替的な散逸メカニズムは何か？
• RQ3 超強磁場が電子の運動およびエネルギー損失にどのように作用し、高エネルギー電子が脱出可能でコロナを形成できるのか？
• RQ4 非熱的放射のスペクトル指数はどのように決定されるのか。観測された力率スペクトル（1 < α < 2）を再現できるか？
• RQ5 なぜ観測放射がMeV帯にまで延びているのか。これは、共鳴散乱に基づく従来のモデルにどのような挑戦をもたらすか？

主な発見

• 二重流れ不安定性は不均一な中性子星大気では抑制され、衝突なし散逸が主なメカニズムであるという仮定は無効である。
• 衝突的ランダウ準位励起およびそれに続く対生成がエネルギー損失の主因となり、電子が高エネルギーを維持して表面を脱出可能になる。
• ランダウ準位エネルギー（ε_B ≈ 1–2 MeV）未満のエネルギーを持つ電子は上向きに脱出でき、T ≈ 1–2 MeVの高温コロナを形成する。
• コロナ内でのコンプトン化およびブレムストラahlungによって、非熱的力率スペクトル（光子指数1 < α < 2）が形成され、観測と一致する。
• 本モデルは、ビームエネルギーの大部分が硬X線および軟ガンマ線帯で放射されることを説明でき、従来モデルの放射度の不一致を解消する。
• 拡張コロナは薄い大気よりもビームエネルギーを観測可能な非熱的放射に効率よく変換できるため、持続的なMeV帯放射を説明するのに適している。