[論文レビュー] The curvature radiation absorption cross section

Nicola Locatelli, Gabriele Ghibellini|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、アインシュタイン係数を用いて曲率放射の吸収断面積を導出し、すべての放射角度において常に正であることを示している。これはシンクロtron放射とは異なり、曲率放射はマーサーの可能性を排除する。これは、パルサー や高速電波パulses などの高輝度温度源でこのようなコherent放射過程が発生しない理由を説明する。

ABSTRACT

When treating the absorption of light, one focuses on the absorption coefficient, related to the probability of photons to survive while traversing a layer of material. From the point of view of particles doing the absorption, however, the elementary interaction of the particle with the photon is best described by the corresponding cross section. We revisit curvature radiation in order to find the absorption cross section for this process, making use of the Einstein coefficients and their relations with spontaneous and stimulated emission and true absorption. We derive the cross section as a function of the emission angle psi (i.e. the angle between the instantaneous velocity vector and the direction of the photon), and the cross section integrated over angles. Both are positive, contrary to the synchrotron case for which the cross section can be negative for large psi. Therefore, it is impossible to have curvature radiation masers. This has important consequences on sources of very large brightness temperatures that require a coherent emission process, such as pulsars and Fast Radio Bursts.

研究の動機と目的

• 量子電磁力学の基本的原則を用いて、曲率放射の吸収断面積を導出すること。
• 長年にわたり蓄積された、曲率放射がマーサー的増幅を支持できるかどうかという曖昧さを解消すること。
• 吸収断面積の挙動と増幅可能性について、曲率放射とシンクロtron放射を比較すること。
• パルサー や高速電波パulses などの高輝度温度天体に及ぼす意味を明確にすること。

提案手法

• 曲率放射における自発放射、誘導放射、真の吸収の関係を、アインシュタイン係数を用いて定式化すること。
• 光子の放射角度ψ（粒子の瞬間的速度に対して）を変数として、吸収断面積を表すこと。
• 全放射角度にわたる角度依存断面積の統合により、全吸収断面積を求める。
• 放射と吸収の過程の詳細なバランス関係を用いて、熱力学的平衡の原則と整合性を保つこと。
• 増幅（すなわちマーサー作用）の可能性を評価するため、断面積の符号をさまざまな角度で分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような条件下でも、曲率放射はコherent増幅（すなわちマーサー作用）を支持できるか？
• RQ2 曲率放射の吸収断面積は、放射角度ψにどのように依存するか？
• RQ3 角度統合後の全吸収断面積は何か？ そしてそれは常に正であるか？
• RQ4 なぜ、パルサー や高速電波パulses などの高輝度温度源では、曲率放射マーサーが観測されないのか？
• RQ5 曲率放射の吸収挙動は、シンクロtron放射と本質的にどのように異なるか？

主な発見

• 曲率放射の吸収断面積は、すべての放射角度ψにおいて厳密に正である。
• シンクロtron放射とは異なり、大きなψに対して負の断面積を示すことがあるが、曲率放射ではネット増幅を支持できない。
• 負の断面積が存在しないことから、曲率放射マーサーの可能性は排除される。
• この結果により、パルサー や高速電波パulses における高輝度温度のコherent放射のメカニズムとして曲率放射が成立しないことが説明される。
• 導出された断面積は、アインシュタイン係数によるエネルギー保存則と詳細平衡と整合的である。
• 断面積の角度統合により、有限で正の値が得られ、プロセスが増幅しない性質が確認された。