[論文レビュー] Towards a theory of extremely intermittent pulsars II: Asteroids at a close distance

F. Mottez, S. Bonazzola+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、非常に間欠的なパulsar PSR B1931+24 および PSR J1841-0500 が、光速円筒内を公転するキロメーター級の小惑星またはデブリストリームのアーベン翼から生じる相互作用によって変調されていると提案する。70日周期のオン／オフ状態は、公転周期ではなく近点移行によるものであり、このモデルは、電流を運ぶアーベン翼が磁気圏に干渉することで間欠的な活動を引き起こすような軌道パラメータを制限する。

ABSTRACT

We investigate whether there may be one or many companions orbiting at close distance to the light cylinder around the extremely intermittent pulsars PSR B1931+24 and PSR J1841-0500. These pulsars, behaving in a standard way when they are active, also "switch off" for durations of several days, during which their magnetospheric activity is interrupted or reduced. We constrained our analysis on eight fundamental properties of PSR B1931+24 that summarise the observations. We considered that the disruption/activation of the magnetospheric activity would be caused by the direct interaction of the star with the Alfv\'en wings emanating from the companions. We also considered the recurrence period of 70 days to be the period of precession of the periastron of the companions orbit. We analysed in which way the time scale of the "on/off" pseudo-cycle would be conditioned by the precession of the periastron and not by the orbital time scale, and we derived a set of orbital constraints that we solved. We then compared the model, based on PSR 1931+24, with the known properties of PSR 1841+0500. We conclude that PSR B1931+24 may be surrounded at a close distance to the star by a stream of small bodies of kilometric or sub-kilometric sizes that could originate from the tidal disruption of a body of moderate size that fell at a close distance to the neutron star on an initially very eccentric orbit. This scenario is also compatible with the properties of PSR J1841-0500, although the properties of PSR J1841-0500 are, by now, less constrained. These results raise new questions. Why are the asteroids not yet evaporated ? What kind of interaction can explain the disruption of the magnetospheric activity ? These questions are the object of two papers in preparation that will complete the present analysis.

研究の動機と目的

• PSR B1931+24 の70日周期の準周期的オン／オフサイクルを説明する。これは公転運動によるものではなく、近点移行によるものである可能性がある。
• 中性子星に近接する、検出されていない小規模な天体（小惑星またはデブリ）が、アーベン翼電流を介して磁気圏活動を変調できるかどうかを調査する。
• アーベン翼がパルサーの極帽子に達し、ゴールドレーチュ・ジュリアン電流を妨害するような条件下での軌道制約を導出する。
• このような天体がパルサー時計測定によって検出可能かどうかを評価し、潮汐力および蒸発的破壊力に対して生存可能かどうかを検討する。

提案手法

• Mottez & Heyvaerts (2011b) の解析的表現を用いて、パルサービームおよび共回転プラズマ環境下での小規模天体（1–100 km）からのアーベン翼電流生成をモデル化する。
• PSR B1931+24 の8つの観測特性（P1–P8）を用いて軌道パラメータを導出し、70日周期の近点移行に注目する。
• 軌道力学を用いて70日周期の近点移行と半長径および離心率の関係を導出し、式 (1) および式 (2) を用いて妥当な軌道を解く。
• 不等式制約（式 B.5）を適用し、オン状態とオフ状態が共存可能な傾き（i）および離心率（e）の許容範囲を特定する。
• 磁場の幾何構造およびアーベン波の伝播を評価し、アーベン翼からの電流が星の極帽子領域に到達可能であることを確認する。
• モデル予測を観測された電流レベル（Kramer電流 ∆Ipc ≈ 8×10¹¹ A）と比較し、アーベン翼メカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B1931+24 の70日周期のオン／オフサイクルは、公転運動ではなく、近点移行によるものと説明できるか？
• RQ2 極帽子に到達し、磁気圏活動を妨害するアーベン翼電流を発生させるために必要な軌道パラメータ（半長径、離心率、傾き）は何か？
• RQ3 キロメーターまたはそれ以下のサイズの天体が中性子星の近傍で潮汐破壊に耐えられ、観測された活動の途切れを説明するのに十分な電流を発生させられるか？
• RQ4 観測された電流変調（Kramer電流）は、このような天体からのアーベン翼電流と整合的か？
• RQ5 このような天体はパルサー時計測定によって検出可能か、それとも観測的に隠れたまま残るか？

主な発見

• PSR B1931+24 の70日周期のオン／オフサイクルは、光速円筒半径（Rlc ≈ 3.88×10⁷ m）に一致する距離に位置する天体の近点移行によって最も適切に説明できる。
• 半長径 0.9×10⁸ m < a < 1.0×10⁸ m および離心率 e < 0.9 の軌道は、式 (B.5) による制約のもとでオン状態とオフ状態の両方が可能である。
• 各離心率に対して、傾き i は imin(e) < i < imax(e) の狭い範囲に限定され、e が増加するにつれて imax(e) は減少する。これにより、アーベン翼電流が極帽子に到達可能であることが保証される。
• 直径1–100 km の天体は、共回転磁場を仮定した場合、観測された Kramer 電流（∆Ipc ≈ 8×10¹¹ A）と同等のアーベン翼電流を発生させられる。
• このシナリオは、PSR J1841-0500 の性質とも整合的であり、より制限が少ないが、複数の間欠的パルサーに同様のメカニズムが作用している可能性を示唆する。
• このモデルは、光速円筒内に位置する天体からのアーベン翼電流が、極帽子でのゴールドレーチュ・ジュリアン電流を摂動させ、磁気圏活動が途切れる原因となることを示唆する。