[論文レビュー] Pulsar bow-shock nebulae. III. Inclusion of a neutral component, and H_{a lpha} luminosity

N. Bucciantini|ArXiv.org|Jul 1, 2002

High-pressure geophysics and materials被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、パルサー降着ネビュラの2層薄い衝撃波モデルを、中性水素成分を組み込み、その力学的挙動を拡散およびイオン化によってモデル化することで拡張している。拡散とイオン化がネビュラの頭部における発光を減少させることにより、電荷交換と衝突励起が発光プロファイルに与える影響を区別でき、パルサーおよび周囲星間媒体（ISM）の性質に関する制約が得られる。

ABSTRACT

The interaction of the wind from a pulsar (or more generally from a star) with t he amb ient medium gives rise to the formation of a bow-shock nebula. We present a mode l of adiabatic bow-shock nebulae, including the presence of a neutral component in the interstellar medium. As demonstrated in a previous paper (Bucciantini & Bandiera 2001}, hereafter Paper I), the velocity and the luminosity of the pulsar, as well a s the characteristics of the interstellar medium (ISM), play an essential role in determinin g the properties of bow shock nebulae. In particular, the Balmer emission is strongly affect ed by the rates of hydrogen charge-exchange and collisional excitation. So far, only one-com ponent models have been proposed, treating the neutrals as a small perturbation. The distrib ution of neutral hydrogen in the nebula, derived by our model, is then used to determine how the h_{alpha} luminosity varies along the bow shock. We find that the luminosity trend is d ifferent for charge-exchange and collisional excitation, and that processes like diffusion o r ionization may reduce the emission in the head of the nebula.

研究の動機と目的

• 従来の一成分モデルが微小な摂動として扱っていた星間媒体（ISM）に中性成分を組み込むことで、衝撃波ネビュラモデルの改善を図ること。
• 中性水素の分布、拡散、イオン化がネビュラに沿ったHα発光に与える影響を調査すること。
• 観測されたHα発光の変動が、電荷交換と衝突励起のどちらが主な発光機構であるかを区別できるかを検証すること。
• バルマー線発光の詳細なモデル化を通じて、パルサー風の性質および局所的なISM状態に関する観測的制約を可能にすること。

提案手法

• Comeron & Kaper (1998) の二層薄い解析解を応用し、衝撃を受ける星風と衝撃を受けるISMを別々にモデル化し、それぞれ異なる接線速度を設定する。
• 中性水素原子の運動方程式および連続の式を統合し、抗力、拡散、および電荷交換および衝突によるイオン化を考慮する。
• 得られた中性水素の表面密度プロファイルを用いて、電荷交換および衝突励起の両過程を考慮してネビュラに沿ったHα発光を計算する。
• モデル予測を、特にネビュラの頭部および尾部における観測されたHα発光傾向と比較する。
• パルサー速度、発光度、ISM密度、中性分率を変化させた場合の発光プロファイルへの影響を評価する。
• 既知のパルサーネビュラ（例：PSR J0437+4715）にモデルを適用し、その予測力および観測的制約の有効性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性ISM成分の組み込みが、一成分モデルと比較してパルサー衝撃波ネビュラの構造およびHα発光にどのように影響を与えるか。
• RQ2 ネビュラにおけるHα発光に占める電荷交換と衝突励起の相対的寄与はどの程度か。
• RQ3 中性水素原子の拡散とイオン化が、特にネビュラの頭部におけるHα発光の空間的分布にどのように影響を与えるか。
• RQ4 観測されたHα発光プロファイルが、異なる励起機構を区別でき、パルサーおよびISMパラメータを制約できるか。
• RQ5 なぜ、PSR J0437+4715のような遅いパルサーではHα発光が頭部でのみ検出されるのか。

主な発見

• 中性成分の存在はHα発光に顕著な影響を与えるが、全体的なネビュラ形状にはほとんど影響しない（図2参照）。
• 電荷交換と衝突励起のHα発光プロファイルは顕著に異なる：電荷交換では発光がより一様に分布するが、衝突励起では温度依存性により尾部で急激に低下する。
• 拡散とイオン化は、熱化および幾何学的厚さが最大となるネビュラの頭部でHα発光を減少させ、発光の谷を形成する。この谷は、励起機構の診断に利用可能である。
• PSR J0437+4715（約80 km/s）のような遅いパルサーでは、尾部における衝突励起のための熱的運動エネルギーが不十分であるため、頭部でのみ発光が検出可能であると考えられる。
• 衝突励起の断面積は大きいが、励起率の急激な速度依存性のため、高速パルサーの頭部以外では寄与が無視できるほど小さい。
• 本モデルは、異なる励起機構からの予測と観測されたHα発光プロファイルを比較することで、パルサー風のパラメータおよび局所的なISM状態を制約するフレームワークを提供する。