[論文レビュー] The Free Electron Maser in Pulsar Magnetospheres

Rüdiger Schopper, H. Rühl+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2002

Magnetic confinement fusion research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、強い磁場を有するプラズマに埋め込まれた相対論的電子ビームにおける非線形なラングミュア波の励起が、自己生成されたウィングル場を形成し、それらが相対論的電子の束縫いを引き起こし、その結果としてコherentな逆コンプトン散乱（CICS）が発生することにより、パルサー磁気圏内でのコherentな電波放射が生じることを提案している。この放射は、γ²倍のプラズマ周波数で発生し、ナノ秒スケールのパルスで最大10 GWの出力を持つ。これはパルサー観測と整合的である。

ABSTRACT

We present the numerical simulations of coherent inverse Compton scattering (CICS) in a highly magnetized plasma process by means of a full three dimensional particle in cell code (PIC), which is mass and energy conservative. We used the parameters of a pulsar magnetosphere where CICS is one of the most promising models for the generation of the observed highly coherent radio emission. First we show details of the onset and time evolution of strong Langmuir turbulence driven by a relativistic electron beam penetrating a strongly magnetized background plasma. The Langmuir turbulence acts as self-generated wiggler fields which bunch the beam electrons thereby inducing strong coherent emission of the bunches at frequency gamma^2 times the plasma frequency. The emitted power is about 10 GW in a few nanoseconds. This radiation is interpreted in terms of inverse Compton scattering on nonlinear density fluctuations. CICS is the longitudinal version of a laboratory free electron laser and is applicable in strongly magnetized plasmas like pulsars.

研究の動機と目的

• 相対論的電子ビームが強い磁場を有するプラズマ中を通過する数値シミュレーションを用いて、パルサーにおけるコherentな電波放射のメカニズムを調査すること。
• 非線形密度フラクチュエーション上でのコherentな逆コンプトン散乱（CICS）が、パルサー電波パルスの観測されたサブナノ秒スケールのコherencyを説明できるかどうかを検証すること。
• 完全3次元かつ質量・エネルギー保存型粒子-場法（PIC）コードを用いて、パルサーに類似したプラズマ環境下におけるCICSの効率および放射特性を特定すること。
• CICSと自由電子レーザー（FEL）の類似性を検証し、ビーム方向に自己励起された静電的ウィングル場が相対論的ビーム化されたコherent放射を生じることを示すこと。
• 放射出力および放射指向性を定量的に評価し、γ²ω_pe放射および相対論的ビーム化理論との比較を通じて、理論的予測と一致するかを検証すること。

提案手法

• 相対論的電子ビーム（γ = √5, γβ = 2）が強い磁場を有するプラズマ（B ≈ 1000 T）中を通過するのを模擬するために、完全3次元かつ質量・エネルギー保存型の粒子-場法（PIC）コードを用いた。
• シミュレーション領域は100 m × 100 m × 250 mであり、空間分解能は1.25 mで、対応する波長は約6.7 mまで分解可能であり、これはγ²ω_peに対応する。
• 初期条件として、均一な背景プラズマ（n_e = 10¹² m⁻³, T_e = 100 eV）を設定し、z = 0で半径方向の密度プロファイル（R = 20 m, ΔR = 3 m）を持つビームを注入した。
• ビームとプラズマの相互作用により二流体不安定性が発生し、強力なラングミュア乱流と非線形密度フラクチュエーションが生成され、これらが自己生成されたウィングル場として機能する。
• 放射の発生は、これらの非線形静電波に対するコherentな逆コンプトン散乱（CICS）としてモデル化され、放射周波数は約γ²ω_peに一致する。
• 放射指向性および出力は、z = 250 mの境界面上でのポインティングフラックス測定により解析され、相対論的ダイポールビーム化理論と放射パターンを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場を有するプラズマ内における自己生成された非線形密度フラクチュエーション上でのコherentな逆コンプトン散乱（CICS）が、パルサー電波パルスのスケールとコherencyを満たす電波放射を生成できるか？
• RQ2 パルサーに類似した環境下で、相対論的電子ビームからCICSを介してコherentな電磁放射にエネルギーを転送する効率はいかほどか？
• RQ3 放射は、縦方向のウィングル機構が予測するように、相対論的ビーム化され、前方に集中した放射パターンを示すか？
• RQ4 放射周波数が理論的予測であるγ²ω_pe（ω_peはプラズマ周波数）と一致するか？
• RQ5 非線形波-波動相互作用は、放射のスペクトル分布および増幅にどのような影響を及えるか？

主な発見

• シミュレーションでは、相対論的電子ビームが強力なラングミュア乱流を励起し、それが非線形密度フラクチュエーションに進化し、自己生成されたウィングル場として機能することが示された。
• これらのウィングル場により、ビーム電子がコherentに束縫いされ、約γ²ω_peの周波数で強力で前方指向の放射が発生した。ピーク周波数は5ω_peであり、4ω_peおよび3ω_peの小さな高調波も観測された。
• 放射は、理論的予測であるtanθ_M = 1/(2γβ)に一致する開口角を持つ相対論的ビーム化されたコーン状のパターンを示し、実験フレームでのヘーツダイポール放射パターンが確認された。
• 全放射出力は約10 nsの間に6桁以上増加し、ピークで10 GWに達した。これはビームの運動エネルギー出力（50 GW）の顕著な割合を占める。
• シミュレーションは、CICSプロセスが強い磁場を有するプラズマで安定的かつ効率的であることを確認し、質量およびエネルギー診断を通じてエネルギー保存則が維持されていることを示した。
• 結果は、CICSが、特に中性子星から約500 kmの距離で観測される高コherencyでパルス的な電波放射を生成するための有効なメカニズムであることを示している。