[論文レビュー] Stability in Force-Free Electrodynamics

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、特にパルサー様の系において、力自由電磁力学が特定の条件下で流体力学的不安定性—ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性およびスクリュー不安定性—を示すことを示している。電気的性質を持つ接線的不連続面はケルビン＝ヘルムホルツ不安定性を示し、すべての非自明な軸対称磁場配置はスクリュー不安定性を示す。ゴールドレイト＝ジュリアンのポインティング・ジェットは、電流密度が電荷密度と光速の積を超えると不安定化するが、これはパルサーの放射光度を規制する要因となる可能性がある。

ABSTRACT

We show that flows of pure electromagnetic energy are subject to instabilities familiar from hydrodynamics and plasma physics---Kelvin-Helmholtz and screw instabilities. In the framework of force-free electrodynamics, it is found that electric-like tangential discontinuities are Kelvin-Helmholtz-unstable. All non-trivial cylindrically symmetrical magnetic configurations are screw-unstable. The Poynting jet of the Goldreich-Julian pulsar is screw-unstable if the current density in the polar cap region exceeds the charge density times the speed of light. This may be the process that determines the pulsar luminosity.

研究の動機と目的

• パルサー磁気圏を文脈として、力自由電磁力学の安定性を調査すること。
• 力自由配置における電磁エネルギーの流れが、流体力学的不安定性の影響を受けるかどうかを特定すること。
• ゴールドレイト＝ジュリアンモデルにおける軸対称磁場配置およびポインティング・ジェットの安定性を分析すること。
• 不安定化メカニズムがパルサーの放射光度を規制できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 理想化された磁場および電流配置を用いた力自由電磁力学の分析。
• 流体力学的安定性概念—ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性およびスクリュー不安定性—を電磁エネルギーの流れに適用すること。
• 電気的性質を持つ接線的不連続面の安定性条件の導出。
• 電流密度の変動を考慮したゴールドレイト＝ジュリアンパルサー・モデルにおけるポインティング・ジェットの評価。
• 対称性および連続性の議論を用いて、非自明な軸対称系への不安定性結果の一般化。
• 電流密度と電荷密度の閾値を比較して、スクリュー不安定性の発生条件を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力自由電磁力学における電気的性質を持つ接線的不連続面は、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性にさらされるか？
• RQ2 力自由電磁力学におけるすべての非自明な軸対称磁場配置は、スクリュー不安定性を示すか？
• RQ3 ゴールドレイト＝ジュリアンパルサー・モデルにおけるポインティング・ジェットは、どのような条件下でスクリュー不安定性を示すか？
• RQ4 パルサー極付近のスクリュー不安定性の発生が、全体の放射光度を規制できるか？
• RQ5 ポインティング・ジェットにおける不安定性を引き起こす電流密度と電荷密度の関係の臨界条件は何か？

主な発見

• 力自由電磁力学における電気的性質を持つ接線的不連続面は、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性にさらされる。
• 力自由電磁力学におけるすべての非自明な軸対称磁場配置は、本質的にスクリュー不安定性を示す。
• ゴールドレイト＝ジュリアンパルサー・モデルにおけるポインティング・ジェットは、電流密度が電荷密度と光速の積を超えるとスクリュー不安定性を示す。
• この不安定性の閾値は、パルサーの放射光度を物理的に規制する要因となる可能性がある。
• 結果から、流体力学的不安定性メカニズムが、パルサーからのエネルギー抽出を制限する上で根本的な役割を果たしている可能性が示唆される。