[論文レビュー] Simulations of pulsar wind formation

Anatoly Spitkovsky, Jonathan Arons|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2002

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中性子星表面から光速円筒面までをカバーする、最初の自己整合的3次元相対論的粒子-場（PIC）シミュレーションを用いて、パulsar風の形成を提示する。非軸対称なジオトロン不安定性が電荷分離とプラズマ輸送を駆動し、磁気圏がゴールドレーチュ・ジュリアン解に近づくのを可能にする。一方、斜め回転するパルサーでは、緯度依存の性質を持つらせん状のストライプ風が発生し、パルサーの回転幾何から内在的な風の収縮が生じることを示唆する。

ABSTRACT

We present initial results of the first self-consistent numerical model of the outer magnetosphere of a pulsar. By using the relativistic ``particle-in-cell'' method with special boundary conditions to represent plasma dynamics in 3D, we are able to follow magnetospheric plasma through the light cylinder into the wind zone for arbitrary magnetic inclination angles. For aligned rotators we confirm the ``disk-dome'' charge-separated structure of the magnetosphere and find that this configuration is unstable to a 3D nonaxisymmetric diocotron instability. This instability allows plasma to move across the field lines and approach the corotating Goldreich-Julian solution within several rotation periods. For oblique rotators formation of the spiral ``striped wind'' in the equatorial direction is demonstrated and the acceleration of the wind and its magnetization is discussed. We find that the wind properties vary with stellar latitude; however, whether injection conditions at the pulsar are responsible for the observed jet-equator geometry of Crab and Vela is currently under investigation. We also comment on the electrodynamics of the simulated magnetospheres, their current closure, and future simulations.

研究の動機と目的

• 第一原理からパルサー外部磁気圏の動的挙動を自己整合的数値モデル化すること。
• 回転し、強い磁場を持つ中性子星の磁気圏内で、プラズマがどのように形成され、加速するかを調査すること。
• 特にジェット・赤道面幾何の構造が、星の近くの注入条件に起因するかを特定すること。
• 3次元非軸対称不安定性が、磁場線を越えたプラズマ輸送に果たす役割を調査すること。
• シミュレーションにおいて、現実的な電流の閉じ込めと磁気圏のトポロジーを達成する可能性を評価すること。

提案手法

• 相対論的粒子-場（PIC）コードを用いて、ローレンツ力に従うマクスウェル方程式と粒子運動を自己整合的に解く。
• プラズマを表すマクロ粒子を用い、固定されたEulerグリッド上に電荷および電流をデポジットして、場の更新を行う。
• 境界条件は重ね合わせ法を用いる：回転する磁気双極子からの真空場と、粒子運動に起因するプラズマ誘導場を併用する。
• 表面放射と光速円筒面でのプラズマ注入を模擬するため、特別な処理を施す。これは、対生成を模擬する。
• このシミュレーションは、対向する流れ、電荷分離、波-プラズマ相互作用を捉え、パルサー風形成に関連する現象を再現する。
• モデルは、理想MHD条件の回復と、整列した回転子におけるゴールドレーチュ・ジュリアン電荷密度への近接性によって検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 整列したパルサーの磁気圏では、プラズマがどのように動的に満たされ、ゴールドレーチュ・ジュリアン解に類似した電荷分離構造に達するのか？
• RQ2 外部磁気圏で磁場線を越えてプラズマが輸送されるのを駆動する不安定性は何か？ そして、それらは風形成にどのように影響するか？
• RQ3 磁気傾斜角が3次元的なパルサー風の構造と加速に与える影響は何か？
• RQ4 カブおよびベラのパルサーで観測される赤道および極域の噴流は、星の近くでの内在的なプラズマ注入と動的挙動によって説明可能か？
• RQ5 電流の閉じ込めは、グローバル磁気圏トポロジーと風の性質をどのように規定するか？

主な発見

• 整列した回転子では、磁気圏にディスク・ドーム型の電荷分離構造が発達し、3次元非軸対称ジオトロン不安定性に起因して、横磁場輸送が可能になる。
• ジオトロン不安定性により、数回の回転周期以内にゴールドレーチュ・ジュリアン電荷密度に近づくことができ、コローションに至る強固な動的経路が示唆される。
• 斜め回転子では、回転する磁場の影響で赤道面にらせん状のストライプ風が形成され、赤道面に特徴的な波動パターンが可視化される。
• 風は光速円筒面近くで、大振幅の電磁波による放射圧によって加速され、その磁化度は星の緯度に依存して変化する。
• 極域からのプラズマ注入により、開放磁場線に沿った円錐状の流れが発生し、赤道および極域の二重噴流メカニズムが示唆される。
• 理想化された境界条件のため、電流の閉じ込めが不完全であり、一時的な電流流れと中心体の帯電が生じ、長期的な自己整合性に制限が生じる。