[論文レビュー] Rotational sweepback of magnetic field lines in geometrical models of pulsar radio emission

J. Dyks, A. K. Harding|ArXiv.org|Feb 20, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、真空中の双極子モデルにおけるパulsarの磁力線の回転によるスイープバック効果を調査し、低高度ではスイープバックが位置角曲線のシフトに無視できる影響しか及たない一方で、開放的磁力線領域の境界が著しく歪められ、約 0.2 sinα rₙ¹ᐟ² の分だけ後退する、と示している。このため、遅延や歪みの影響を上回り、位相シフトを支配するようになる。これにより、遅延-半径関係が変更され、独立した測定と整合性のとれたより大きな放射半径を予測するようになる。

ABSTRACT

We study the rotational distortions of the vacuum dipole magnetic field in the context of geometrical models of the radio emission from pulsars. We find that at low altitudes the rotation deflects the local direction of the magnetic field by at most an angle of the order of r_n^2, where r_n = r/Rlc, r is the radial distance of the radio emission and Rlc is the light cylinder radius. To the second order in r_n, this distortion is symmetrical with respect to the plane containing the dipole axis and the rotation axis (Omega-mu plane). The lowest order distortion which is asymmetrical with respect to the Omega-mu plane is third order in r_n. We show, however, that the influence of the sweepback on the outer boundary of the open field line region (open volume) is a much larger effect, of the order of r_n^1/2. The open volume is shifted backwards with respect to the rotation direction by an angle delta_ov ~ 0.2 sin(alpha) r_n^1/2 where alpha is the dipole inclination with respect to the rotation axis. The associated phase shift of the pulse profile Delta_phi_ov ~ 0.2 r_n^1/2 can easily exceed the shift due to combined effects of aberration and propagation time delays (=~ 2r_n). This strongly affects the misalignment of the center of the PA curve and the center of the pulse profile, thereby modifying the delay-radius relation. Contrary to intuition, the effect of sweepback dominates over other effects when emission occurs at low altitudes. For r_n

研究の動機と目的

• パulsarにおける開放的磁力線の幾何学的形状に及ぼす回転スイープバックの影響を評価すること。
• スイープバックが位置角曲線およびパルスプロファイル中心の整合性に与える影響を特定すること。
• パulsar電波放射モデルにおける放射高さを推定するために用いられる遅延-半径関係を再評価すること。
• スイープバックが、歪みと伝搬遅延時間との相対的な重要性を定量化すること。
• 偏光位置角曲線からの放射高さ推定値と他の手法による推定値との不一致を解消すること。

提案手法

• 相対論的で遅延のある真空中の双極子磁場モデルを用いて、パulsarの回転に起因する磁力線歪みを計算する。
• 遅延時間形式を用いて球座標系における遅延磁場成分を導出し、φ = ωt + rₙ を用いて回転を組み込む。
• rₙ = r/Rₗc のべき級数展開を2次および3次まで行い、対称性の性質を特定する。
• 磁場の方向が静的双極子方向からどれほどずれるかを計算し、スイープバック効果を定量化する。
• 回転によるスイープバックが開放的体積領域の境界（開放的磁力線の外縁）に与えるずれを分析する。
• 得られた位相シフト Δφₒᵥ ∼ 0.2 rₙ¹ᐟ² を BCW91 の遅延-半径関係 Δφ_BCW ≈ 4 rₙ と比較し、支配的であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転スイープバックは、パulsar電波放射の位置角曲線にどのように影響を与えるか？
• RQ2 低高度における回転に起因する磁力線歪みの大きさと対称性は何か？
• RQ3 スイープバックは開放的磁力線領域の境界にどのように影響を与え、パルスプロファイル中心に対する位相シフトはどの程度か？
• RQ4 遅延-半径関係を決定する要因として、スイープバックが歪みや伝搬遅延時間の影響を上回るか？
• RQ5 スイープバックを遅延-半径関係に組み込むと、標準的な関係と比較して推定される放射半径はどのように変化するか？

主な発見

• 回転スイープバックは低高度で最大で ∼rₙ² の磁場のずれを引き起こし、3次項に最も顕著な非対称歪みが現れる。
• 開放的体積領域の境界は、δₒᵥ ∼ 0.2 sinα rₙ¹ᐟ² の分だけ後退し、これは歪みや伝搬遅延時間の影響よりも顕著な効果である。
• 関連する位相シフト Δφₒᵥ ∼ 0.2 rₙ¹ᐟ² は、rₙ ≲ 3×10⁻³ の範囲で BCW91 の遅延 ≈2 rₙ を上回り、低高度では支配的効果となる。
• rₙ ≲ 3×10⁻³ の範囲では、位相シフトが負になり、位置角曲線の中心がパルスプロファイル中心よりも先に来ることを意味する。
• 遅延-半径関係にスイープバックを組み込むと、他の手法による独立した推定値とより整合性のとれたより大きな放射半径が得られる。
• 本研究は、スイープバックが遅延-半径関係を顕著に変更し、放射高さ推定における不整合を解消することを確認した。