[論文レビュー] The physics of strong magnetic fields and activity of magnetars

Qiu He Peng, Hao Tong|ArXiv.org|Nov 11, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、磁気星の磁場が、非等方的中性子超伝導体における3P2中性子クーパー対の強磁性的整列から生じると提案している。臨界相転移は約10⁷ K未塔で発生し、その結果生じる磁場は最大(3.0–4.0)×10¹⁵ Gに達する。磁気星の活動は、強い磁場下で極めて高い電子フェルミエネルギーが引き起こす電子捕獲不安定性に起因し、X線およびソフトγ線放射としてエネルギーが放出される。

ABSTRACT

A phase transition from paramagnetism to ferromagnetism in neutron star interior is explored. Since there is $^3$P$_2$ neutron superfluid in neutron star interior, it can be treated as a system of magnetic dipoles. Under the presence of background magnetic field, the magnetic dipoles tend to align in the same direction. Below a critical temperature, there is a phase transition from paramagnetism to ferromagnetism. And this gives a convenient explanation of the strong magnetic field of magnetars. In our point of view, there is an upper limit for the magnetic field strength of magnetars. The maximum field strength of magnetars is about $(3.0-4.0) imes 10^{15}$ G. This can be tested directly by further investigations. Magnetars are instable due to the ultra high Fermi energy of electrons. The Landau column becomes a very long cylinder along the magnetic field, but it is very narrow and the Fermi energy of electron gas is given as $E_F(e)\approx40(B/B_{cr})^{1/4}$ when $B\gg B_{cr}$. $E_F(e)\approx90MeV$ When $B\sim10^{15}$ G. Hence, the electron capture process $e^-+p o n+ν_e$ will be happen rapidly. Thus the $^3$P$_2$ Cooper pairs will be destroyed quickly by the outgoing neutrons with high energy. It will cause the isotropic superfluid disappear and then the magnetic field induced by the $^3$P$_2$ Cooper pairs will be also disappear. These energy will immediately be transmitted into thermal energy and then transformed into the radiation energy with X-ray - soft $γ$-ray. We may get a conclusion that the activity of magnetars originates from instability caused by the high Fermi energy of electrons in extra strong magnetic field.

研究の動機と目的

• 磁気星における超強磁場の起源を解明すること。これは中性子星物理学における未解決問題である。
• 3P2中性子超伝導相転移が強磁性を示すことで、観測された磁気星の磁場を説明できるかを調査すること。
• このメカニズムによって達成可能な磁場強度の上限を特定すること。
• X線／ソフトγ線放射という磁気星の活動を、強い磁場下での高電子フェルミエネルギーに起因する不安定性と関連付けること。
• 超伝導体および電子物理学に基づいた、磁気星の磁場生成とエネルギー出力の自己備わったモデルを提供すること。

提案手法

• 中性子超伝導体を、固有磁気モーメント2μₙを有する磁気双極子（3P2クーパー対）の系としてモデル化する。
• 温度依存的な磁気的整列を記述するため、ブライルーイン関数f(μₙB/kT)を適用し、熱的効果を考慮する。
• 誘導磁気モーメントμ⁽ⁱⁿ⁾(³P₂) = μₙNₐm(³P₂)qf(μₙB/kT)を計算する。ここでq ≈ 8.7%は3P2対に存在する中性子の割合である。
• 誘導磁場の最大値B⁽ⁱⁿ⁾ₘₐₓ ≈ 2.02×10¹⁴ η Gを導出する。ここでηは質量、半径、対ギャップに依存する。
• ランダウ準位化を用いて、B ≫ B_crの下で電子フェルミエネルギーE_F(e) ≈ 40(B/B_cr)¹/⁴ MeVを計算する。
• 電子捕獲e⁻ + p → n + νₑが、E_F(e) > 60 MeVのとき主要な不安定化メカニズムとなるようにモデル化し、3P2対を破壊してエネルギーを放出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3P2中性子超伝導体における常磁性から強磁性への相転移が、磁気星磁場の起源を説明できるか？
• RQ2 このメカニズムによって達成可能な磁場強度の理論的上限は何か？
• RQ3 超強磁場下で高エネルギーに達する電子のフェルミエネルギーは、どのように不安定性とエネルギー放出を引き起こすか？
• RQ4 そのエネルギー放出が、AXPsおよびSGRsの観測されたX線およびソフトγ線放射輝度を説明できるか？
• RQ5 温度依存的ブライルーイン関数は、強磁性状態の安定化または誘発にどのように寄与するか？

主な発見

• 磁気星の最大磁場強度は(3.0–4.0)×10¹⁵ Gと予測され、3P2クーパー対の磁気モーメントの完全整列に起因する。
• 3P2クーパー対に存在する中性子の割合はq ≈ 8.7%であり、これは対ギャップΔ(³P₂) ≈ 0.05 MeVおよびフェルミエネルギーE_F ≈ 60 MeVから導出される。
• B ≈ 10¹⁵ Gのとき、電子フェルミエネルギーはE_F(e) ≈ 90 MeVに達し、中性子のフェルミエネルギーを上回り、急速な電子捕獲を引き起こす。
• 1個の破壊された3P2対から放出されるエネルギーは、10⁸年間にわたり10³⁴–10³⁶ erg/sのX線輝度を駆動するのに十分である。
• 全エネルギー放出はE⁽ᵗᵒᵗ⁾ ≈ 2.0×10⁵¹ [(B/B_cr)¹/⁴ − 1.5] (m(³P₂)/0.1M☉) ergsと推定され、AXP/SGRの活動と整合的である。
• 不安定性は、電子捕獲によって生成される高エネルギー中性子が3P2クーパー対を破壊し、誘導磁場を消失させることに起因する。