[論文レビュー] Two-photon annihilation in the pair formation cascades in pulsar polar caps

Bing Zhang, G. J. Qiao|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、Ruderman-Sutherland真空ギャップモデルにおけるパルサー極帽子でのペア生成メカニズムとして、二光子消滅（$\gamma + \gamma' \to e^+ + e^-$）を検討する。この過程は、極帽子温度が約4×10⁶ Kを超えると顕著になり、曲率が弱いため$\gamma$-B過程が失敗する領域で中心的スパークの形成を可能にし、共振逆コンプトン散乱の支配的状態により、若いパルサーの核放射成分の説明が可能となる可能性がある。

ABSTRACT

The importance of the photon-photon pair production process ($γ+ γ^{\prime} o e^{+}+e^{-}$) to form pair production cascades in pulsar polar caps is investigated within the framework of the Ruderman-Sutherland vacuum gap model. It is found that this process is unimportant if the polar caps are not hot enough, but will play a non-negligible role in the pair formation cascades when the polar cap temperatures are in excess of the critical temperatures, $T_{cri}$, which are around $4 imes 10^6K$ when $P=0.1$s and will slowly increase with increasing periods. Compared with the $γ-B$ process, it is found that the two-photon annihilation process may ignite a central spark near the magnetic pole, where $γ-B$ sparks can not be formed due to the local weak curvatures. This central spark is large if the gap is dominated by the ``resonant ICS mode''. The possible connection of these central sparks with the observed pulsar ``core'' emission components is discussed.

研究の動機と目的

• パルサー極帽子におけるペア生成カスケードにおける二光子消滅の役割を評価すること。
• この過程が標準的な$\gamma$-B過程と競合する条件を特定すること。
• 磁場曲率が小さい領域で$\gamma$-Bカスケードが失敗する状況において、二光子消滅が中心的スパークを開始できるかを調査すること。
• このような中心的スパークと、パルサーの光曲線で観測される核放射成分との関連を探索すること。

提案手法

• 本研究では、パルサー極帽子におけるペア生成カスケードをシミュレートするために、Ruderman-Sutherland真空ギャップモデルを用いる。
• 相対論的条件下での二光子消滅過程$\gamma + \gamma' \to e^+ + e^-$の断面積と反応速度を評価する。
• 臨界温度閾値$T_{\text{cri}}$を計算し、0.1秒のパルサー周期では$T_{\text{cri}} \approx 4 \times 10^6$ Kとなる。
• 特に磁場曲率が小さい領域において、二光子消滅と$\gamma$-B過程の効率を比較する。
• 共振逆コンプトン散乱（ICS）モードの役割を分析し、スパークのサイズと安定性に与える影響を評価する。
• 数値シミュレーションを用いて、得られるペアカスケードおよび中心的スパークの空間的・エネルギー的特性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサー磁気圏における極帽子温度がどの程度になると、二光子消滅がペア生成の非無視可能な源となるか？
• RQ2 磁場曲率が小さく$\gamma$-B過程が効果を発揮できない領域で、二光子消滅がペアカスケードを開始できるか？
• RQ3 共振ICSモードは、二光子消滅によって形成されるスパークのサイズと安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 このような中心的スパークと、パルサー光曲線で観測される核放射成分との潜在的関連性は何か？

主な発見

• 二光子消滅は、極帽子温度が~4×10⁶ Kを超えると顕著になり、パルサー周期が延びるに従い$T_{\text{cri}}$はゆっくりと増加する。
• この過程により、磁場曲率が弱いため$\gamma$-B過程が失敗する領域で、磁場極近くに中心的スパークが点火可能となる。
• ギャップが「共振ICSモード」に支配されている場合、スパークは著しく大きくなり、ペア生成効率が向上する。
• 二光子消滅によって形成される中心的スパークは、パルサー光曲線で観測される核放射成分を説明できる可能性がある。
• 高温で曲率が小さい極帽子領域では、二光子消滅が有効なペア生成メカニズムの代替手段となる。
• 本研究では、高温の極帽子と若いパルサーにおける核放射の起源との物理的関連を確立した。