[論文レビュー] Radio spectrum of the Crab nebula as an evidence for fast initial spin of its pulsar

A. M. Atoyan|arXiv (Cornell University)|May 17, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、カブスネビュラの平坦な電波スペクトルが、パulsarによって当初噴出された相対論的電子の残滓であり、時間とともに断熱的および放射的エネルギー損失によって冷却されたものであると提唱する。観測されたスペクトルから、パルサーの初期回転周期は3–5 msであると示唆され、これは従来の予想よりもはるかに速い初期回転を示しており、歴史的記録と現在のデータと整合的である。

ABSTRACT

The origin of relativistic electrons in the Crab nebula which are producing the broad-band flat radio spectrum of this prototype plerion has proved difficult to understand. Here I show that these electrons can be naturally explained as a relic population of the pulsar wind electrons that have lost most of their energy in the expanding nebula because of intensive radiative and adiabatic cooling in the past. The observed radio spectrum suggests that the initial slowing-down time of the pulsar was about 30 yrs (or less), which implies that it has been born with a spin period P_0 ~ 3-5 ms, several times shorter than presently believed. Consistency of these results with the current data and the historical records is discussed.

研究の動機と目的

• カブスネビュラの広帯域で平坦な電波スペクトルを生じさせる相対論的電子の起源を説明すること。
• このような電子がネビュラ内でどのようにして維持されているかを解明する長年の難問を解決すること。
• 観測された電波スペクトルと電子冷却ダイナミクスから、カブスパルサーの初期回転周期を推定すること。
• 高速な初期回転が、歴史的超新星記録と現在の天体物理学的データと整合するかを検証すること。

提案手法

• 膨張するネビュラ内におけるパルサーワインドから生じる相対論的電子の進化をモデル化し、断熱的および放射的エネルギー損失を考慮する。
• 観測された電波スペクトルを用いて、電子集団のエネルギー分布と冷却歴を制約する。
• シンクロtron放射および逆コンプトン散乱による冷却 timescale を用いて、パルサーの初期回転減速 timescale を推定する。
• 冷却モデルを逆転して、観測された電子エネルギー分布と整合する初期回転周期を推定する。
• 推定された初期回転周期を、歴史的超新星観測と現在のパルサー集団統計と比較する。
• 導出されたパルサー回転減速 timescale を用いて、回転減速指数が約3であると仮定して初期回転周期を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブスネビュラの平坦な電波スペクトルを自然に説明できるメカニズムは何か？
• RQ2 ネビュラ内での電子冷却歴は、カブスパルサーの初期回転周期にどのように制限を加えるか？
• RQ3 観測された電波スペクトルに基づいて、パルサーの初期回転減速 timescale はどのように推定されるか？
• RQ4 初期回転周期が3–5 msであるという仮定は、1054年の超新星の歴史的記録と整合するか？
• RQ5 推定された冷却および回転減速 timescale は、標準的なパルサーワインドおよびネビュラ進化モデルと整合するか？

主な発見

• カブスネビュラの観測された電波スペクトルは、パルサーワインドに由来する相対論的電子の残滓であり、時間が経つにつれて冷却されたものとして最もよく説明できる。
• 電子の冷却 timescale は、パルサーの初期回転減速 timescale が約30年以下であることを示唆している。
• この冷却 timescale は、初期回転周期が3–5 msであることを示しており、従来の仮定よりも顕著に短い。
• 推定された初期回転周期は、1054年の超新星爆発の歴史的記録と整合的である。
• このモデルは、追加の電子供給メカニズムを必要とせず、観測されたネビュラスペクトルとパルサーワインドのエネルギー供給および冷却物理学を調和させている。
• 結果として、カブスパルサーの初期高速回転を支持するものであり、遅い回転減速モデルに基づく従来の推定を覆すものである。