[論文レビュー] R-Mode Oscillations and Spindown of Young Rotating Magnetic Neutron Stars

Wynn C. G. Ho, Dong Lai|Dec 15, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、若齢で高速回転する磁気的中性子星におけるrモード振動を調査し、磁気的減速と電磁波放射が回転減速および重力波放射に与える影響を分析している。B > 10^14 Gの磁場では、磁気的減速が回転減速率と波形に顕著な影響を及ぼすことが判明した。一方、B ≳ 10^13 Gではアルヴェーン波放射が主なrモード駆動機構となり、10^16 Gでは不安定性の閾値やモード周波数が最大で0.5%まで変化する。

ABSTRACT

Recent work has shown that a young, rapidly rotating neutron star loses angular momentum to gravitational waves generated by unstable r-mode oscillations. We study the spin evolution of a young, magnetic neutron star including both the effects of gravitational radiation and magnetic braking (modeled as magnetic dipole radiation). Our phenomenological description of nonlinear r-modes is similar to, but distinct from, that of Owen et al. (1998) in that our treatment is consistent with the principle of adiabatic invariance in the limit when direct driving and damping of the mode are absent. We show that, while magnetic braking tends to increase the r-mode amplitude by spinning down the neutron star, it nevertheless reduces the efficiency of gravitational wave emission from the star. For B >= 10^14 ( us/300 Hz)^2 G, where us is the spin frequency, the spindown rate and the gravitational waveforms are significantly modified by the effect of magnetic braking. We also estimate the growth rate of the r-mode due to electromagnetic (fast magnetosonic) wave emission and due to Alfven wave emission in the neutron star magnetosphere. The Alfven wave driving of the r-mode becomes more important than the gravitational radiation driving when B >= 10^13 ( us/150 Hz)^3 G; the electromagnetic wave driving of the r-mode is much weaker. Finally, we study the properties of local Rossby-Alfven waves inside the neutron star and show that the fractional change of the r-mode frequency due to the magnetic field is of order 0.5 (B/10^16 G)^2 ( us/100 Hz)^-2.

研究の動機と目的

• 若齢で高速回転する中性子星の回転進化と重力波放射に、磁気的減速がどのように影響するかを理解すること。
• 特に高速磁気圧縮波およびアルヴェーン波を含む電磁波放射が、rモード不安定性を駆動する役割を評価すること。
• 磁場が局所的ロスビー-アルヴェーン波の相互作用を通じてrモード周波数と構造にどのように影響を与えるかを検討すること。
• 磁場強度に応じた、重力波放射と電磁波放射によるrモード駆動の遷移を定量すること。

提案手法

• アディアバティック不変則を満たす非線形rモード進化の現象論的モデルを用い、Owenら（1998）とは異なるものとする。
• 重力波放射時定数τ_GRと粘性減衰時定数τ_Vを組み合わせ、磁気的減速を電気双極子放射によってモデル化することで、回転進化を記述する。
• rモードに起因する速度摂動から生じる電磁波放射を、ベクトル球面調和関数と多重極展開（Jackson 1975）を用いて計算する。
• 周波数成分ω、ω−Ω_s、およびω+Ω_sの3つの成分から電磁波放射のパワーを導出し、主にωおよびω−Ω_sが寄与することが判明する。
• 電磁波放射と重力波放射による駆動時定数の比を計算し、相対的な不安定性成長率を評価する。
• 局所的ロスビー-アルヴェーン波解析を用いて磁場によるrモード周波数シフトを評価し、分数的周波数変化は0.5×(B/10^16 G)^2×(ν_s/100 Hz)^{-2}のオーダーとなる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的減速は、rモード駆動の中性子星の回転減速率と重力波形にどのように影響するか？
• RQ2 アルヴェーン波放射が重力波放射よりも優勢なrモード駆動機構となる磁場強度はどの程度か？
• RQ3 磁場は局所的ロスビー-アルヴェーン波結合を通じてrモード周波数と構造にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高速磁気圧縮波とアルヴェーン波放射のうち、rモード不安定性駆動に寄与する相対的寄与度はどの程度か？

主な発見

• 磁場B ≥ 10^14 Gかつ回転周波数ν_s ≥ 300 Hzの条件下では、磁気的減速が回転減速率と重力波形に顕著に影響を与える。
• B ≥ 10^13 G × (ν_s/150 Hz)^3 のとき、アルヴェーン波放射が重力波放射よりもrモードをより効果的に駆動する。
• 電磁波放射によるrモード駆動は重力波放射による駆動に比べてはるかに弱く、駆動時定数比はτ_EM/τ_GR ≈ 0.47 M_1.4^{-2} R_10^2 B_16^2 (100 Hz / ν_s)^2 で与えられる。
• 磁場によるrモード周波数の分数的変化は、0.5 × (B/10^16 G)^2 × (ν_s/100 Hz)^{-2} のオーダーである。
• 磁気的減速は星の回転を減速させることでrモード振幅を増大させるが、重力波放射の効率を低下させる。
• rモード不安定性は、初期スピンが速く強力な磁場（>10^14 G）を持つプロトマグネタールに主に関連している。