[論文レビュー] On the physics of cold MHD winds from oblique rotators

S. V. Bogovalov|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、分岐モノポール磁場を有する斜交回転子からの冷たいMHD風が、軸対称回転子からのものと同一の力学的挙動を示すことを示しており、回転エネルギー損失およびプラズマ加速メカニズムが磁場傾斜角に依存しないことを示唆している。主な発見は、電波パルサーがおそらく低速回転子（σ₀/U₀² < 1）であり、ポインティングフラックス支配の風を放出しており、理想MHDメカニズムによる効果的加速はなく、エネルギー変換には散乱過程が不可欠であるということである。

ABSTRACT

I show that the self-consistent solution of the problem of MHD plasma flow in magnetosphere of an oblique rotator with an initially split-monopole magnetic field is reduced to the solution of the similar problem for the axisymmetric rotator. All properties of the MHD cold plasma flows from the axisymmetric rotators with the initially split-monopole magnetic field are valid for the oblique rotators as well. Rotational losses of the oblique rotator do not depend on the inclination angle and there is no temporal evolution of this angle. Self-consistent analytical and numerical solutions for the axisymmetric plasma flows obtained earlier show that the rotators can be divided on fast rotators ($σ_0/U_0^2 &gt; 1$) and slow rotators ($σ_0/U_0^2 &lt; 1$), where $σ_0$ is the ratio of the Poynting flux to the matter energy flux in the flow at the equator on the surface of the star, $U_0 = γ_0v_0/c$, $v_0$ and $γ_0$ are the initial velocity and Lorentz-factor of the plasma. The self-consistent approximate analytical solution for the plasma flow from the oblique rotator is obtained under the condition $σ_0/U_0^2 \ll 1$. Implications of these results for radio pulsars are discussed. In particular, I argue that all radio pulsars are apparently the slow rotators ejecting the Poynting dominated relativistic wind.

研究の動機と目的

• 磁気双極子が回転軸に対してずれている斜交回転子が、軸対称回転子と比較して異なるMHD風の力学的挙動を示すかどうかを明らかにすること。
• 傾斜角が相対論的風における回転エネルギー損失やプラズマ加速に影響を与えるかどうかを評価すること。
• 現実的なパrameterを想定した場合、理想MHDメカニズムがパルサー磁気圏内でのプラズマ加速を効果的に実現できるかどうかを評価すること。
• これらの発見が、特にカブ星雲のような源で観測されたポインティングフラックス支配の風のエネルギー的性質に与える意味を調査すること。

提案手法

• 問題は、軸対称ケースに類似した初期状態で分岐モノポール磁場を有する斜交回転子の自己無撞撃MHD方程式を解くことに還元される。
• 軸対称回転子における解析的・数値的解法を、理想MHDおよび冷たいプラズマ流れの仮定の下で斜交回転子に適用する。
• σ₀/U₀² の比を用いて、回転子を高速（σ₀/U₀² > 1）または低速（σ₀/U₀² < 1）に分類し、U₀ = γ₀v₀/c および σ₀ は星の赤道におけるポインティング対運動エネルギーflux比を表す。
• σ₀/U₀² ≪ 1 の条件下で、自己無撞撃な近似解析解を導出する。これは低速回転子に有効である。
• 風内に散乱がないと仮定し、プラズマ流れを定常的かつ相対論的とみなす。
• EGRETパルサー（例：カブ、ベラ、ゲミンガ）からの観測的制約と比較する。γ₀、H₀、I = 10⁴⁵ g·cm² の推定値を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転子における磁気双極子のずれが、冷たいMHDプラズマ風の力学的挙動に、軸対称配置と比較して顕著な違いをもたらすか？
• RQ2 斜交回転子における理想MHDメカニズムが、電波パルサーで観測された風の性質を説明するのに、効果的に相対論的プラズマを加速できるか？
• RQ3 傾斜角が、パルサー風における回転エネルギー損失およびプラズマのコリメーションに果たす役割は何か？
• RQ4 初期段階でプラズマがポインティングフラックス支配であったにもかかわらず、大距離で風のポインティングフラックスが支配的であるのはなぜか？
• RQ5 理想MHDがそのようなエネルギー変換を果たせない以上、風内での散乱過程がポインティングフラックスを運動エネルギーに変換する条件は何か？

主な発見

• 分岐モノポール磁場を有する斜交回転子からの冷たいMHD風の力学的挙動は、軸対称回転子と数学的に同一であり、プラズマ流れの挙動に質的差異がないことを示唆している。
• 斜交回転子における回転エネルギー損失は傾斜角に依存せず、時間経過に伴い角度が変化することもない。
• すべての解析対象となった電波パルサー（カブ、ベラ、ゲミンガ、PSR 1706-44、PSR 1509-58、PSR 1951+32、PSR 1055-55）は、U₀ ≥ 200 の条件下で低速回転子（σ₀/U₀² < 1）に分類される。
• これらのパルサーでは、風の源でポインティングフラックス支配（σ₀ ≈ 1000）であるが、大距離でσ ≈ 0.003にまで低下する必要があり、星雲観測と一致する。
• 理想MHDメカニズムによる効果的なプラズマ加速は認められず、光速円筒近辺での磁気力・遠心力やトロイダル磁場勾配も十分な加速を提供しない。
• 結果から、ポインティングフラックスを運動エネルギーに変換するには、非理想MHD過程（乱流、異常抵抗率、衝撃波など）が不可欠であることが示唆され、理想MHDだけでは必要なエネルギー変換を説明できない。