[論文レビュー] Pulsar High-Energy Emission From the Polar Cap and Slot Gap

A. K. Harding|ArXiv.org|Oct 18, 2007

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、回転駆動パルサーにおける高エネルギー放射メカニズムをレビューし、主に極帽子およびスロットギャップモデルに焦点を当てている。粒子加速は、開放された磁場線に沿った強い電場によって発生する。相対論的効果および対生成の役割を強調し、今後のX線およびガンマ線ミッションが、改善されたスペクトルおよびパルス波形測定を通じてこれらのモデルを検証するだろうと予測している。

ABSTRACT

Forty years after the discovery of rotation-powered pulsars, we still do not understand many aspects of their pulsed emission. In the last few years there have been some fundamental developments in acceleration and emission models. I will review both the basic physics of the models as well as the latest developments in understanding the high-energy emission of rotation-powered pulsars, with particular emphasis on the polar-cap and slot-gap models. Special and general relativistic effects play important roles in pulsar emission, from inertial frame-dragging near the stellar surface to aberration, time-of-flight and retardation of the magnetic field near the light cylinder. Understanding how these effects determine what we observe at different wavelengths is critical to unraveling the emission physics. I will discuss how current and future X-ray and gamma-ray detectors can test the predictions of these models.

研究の動機と目的

• 回転駆動パルサーにおける高エネルギー放射の物理的メカニズム、特に極帽子およびスロットギャップ領域を理解すること。
• フレームドラッグ、歪み、遅延といった特殊および一般相対性理論的効果が観測可能な放射をどのように形作るかを検討すること。
• 中性子星表面近くの粒子加速に、空間電荷制限流れ（SCLF）および真空ギャップモデルの妥当性を評価すること。
• 現在および今後の高エネルギー検出器が、放射の幾何構造および粒子加速の理論的予測をどのように検証できるかを評価すること。
• 境界条件、磁場線の歪み、および電波放射の起源といった、パルサー磁気圏物理学における未解決の問題を特定すること。

提案手法

• 回転する中性子星における磁場線に沿った電場を、回転する電気双極子解から導出された相対論的電磁力学を用いてモデル化する。
• ゴールドレーチ・ジュリアンの電荷密度条件を適用し、真空ギャップが力自由状態に達する条件を特定することで、粒子加速を可能にする。
• 低高度では空間電荷制限流れ（SCLF）の2つの状態と、高高度では真空ギャップの状態を分析する。
• 高エネルギー光子からの対生成を組み込み、磁気圏内での電流の維持と力自由状態の維持に寄与する。
• 特に高高度のスロットギャップ領域において、遅延および電流の流れによる磁場線の歪みを評価する。
• 近い将来のミッションによる位相分解スペクトルおよび偏光測定が、放射の幾何構造および放射メカニズムを検証する可能性を提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪み、飛行時間、フレームドラッグといった相対論的効果が、パルサーからの観測可能な高エネルギー放射にどのように影響を与えるか。
• RQ2 極帽子領域における粒子加速が、空間電荷制限流れか真空ギャップのどちらによって起こるかを決定づける要因は何か。
• RQ3 磁場線の歪みおよび電流の流れが、高高度スロットギャップ領域における電場構造にどのように影響を与えるか。
• RQ4 対カスケードが高エネルギー放射を生成する役割を果たし、電波放射ビームの形状を決定づける可能性があるか。
• RQ5 同じパルサー磁気圏内に極帽子加速器とスロットギャップ加速器が共存可能か。また、それらの放射はどのように区別できるか。

主な発見

• 表面温度が約0.5 MK以上であれば、電子およびイオンの放射が可能となり、大多数のパルサーで空間電荷制限流れ（SCLF）加速器が稼働可能となる。
• 真空ギャップは、磁場が強いパルサー（B₀ > 10¹³ G）にのみ形成される可能性が高く、表面の束縛力が電荷の放出を防ぐためである。
• スロットギャップ内の電場は、磁場線の曲率および遅延の影響を強く受けるため、理想的な電気双極子モデルで見られる符号反転が抑制される可能性がある。
• 高エネルギー光子からの対生成は、電流の維持および力自由磁気圏の維持に不可欠である。
• 今後のミッション、例えばGLAST（現在のFermi）および地上のチェレンコフ望遠鏡（H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS）が、位相分解スペクトルおよびエネルギー依存のパルス波形を提供し、モデルの予測を検証できる。
• X線偏光計（AXP、POGO、ACT）により、位相分解偏光測定が可能となり、放射の幾何構造および放射メカニズムの検証に不可欠な情報が得られる。