[논문 리뷰] Excitation of wakefield around pulsars

V. I. Berezhiani, Z. Osmanov외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 1D 선형화 모델을 사용하여, 크랩 유사 펄서 주변 플라즈마에서 고에너지 복사에 의해 유도되는 전자기계 웨이브필드의 자극을 조사한다. 복사력이 0.01 AU 거리에서 크랩 유사 펄서의 경우 최대 0.4 keV, 젊은 밀리초 펄서의 경우 최대 2 keV의 잠재적 전위차를 유도하는 여행파 구조를 생성함을 보여주며, 이는 펄서 풍 난류에서 입자 가속화 잠재력이 크다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We study the generation of the wakefields by means of the high energy radiation of pulsars. The problem is considered in the framework of a one dimensional approach. We linearize the set of governing equations consisting of the momentum equation, continuity equation an Poisson equation and show that a wavelike structure will inevitably arise relatively close to the pulsar.

연구 동기 및 목표

• 펄서에서 방출되는 고에너지 복사가 둘러싼 플라즈마에서 전자기계 웨이브필드를 어떻게 자극하는지 조사하기 위해.
• 유체역학적 플라즈마 방정식의 1차원 선형화 접근법을 사용하여 웨이브필드 생성을 모델링하기 위해.
• 특히 크랩 유사 펄서와 젊은 밀리초 펄서에서 전자 가속화를 가능하게 할 수 있는 잠재적 전위차를 추정하기 위해.
• 복사 반동력과 전하 분離가 집단적 플라즈마 진동을 이끄는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 복사력이 존재하는 플라즈마에 대해 운동량 방정식, 연속 방정식, 그리고 포아송 방정식을 사용한 1D 모델을 수립하였다.
• 복사력에 의해 유도되는 밀도 편미분에 대한 파동 방정식을 도출하기 위해 통제 방정식을 선형화 하였다.
• 여행파 웨이브필드 구조를 분석하기 위해 ξ = x - ct를 사용하여 시스템을 이동 기준으로 변환하였다.
• 해석적으로 전기적 잠재 에너지 ϕ(ξ)를 구하기 위해 계단형 복사력 프로파일을 가정하였다.
• 복사 반동력 Frad = σT F / c 를 사용하였으며, F 는 복사 원뿔의 광도와 입체각으로 유도되었다.
• 최종적으로 4차 미분방정식을 풀어 플라즈마 주파수와 복사 매개변수에 따라 의존하는 잠재 에너지 프로파일 ϕ(β)를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄서에서 방출되는 고에너지 복사가 둘러싼 플라즈마에서 전자기계 웨이브필드를 자극할 수 있는가?
• RQ2 1차원 플라즈마 모델에서 유도된 웨이브필드의 공간적 구조와 진폭은 어떻게 되는가?
• RQ3 다른 펄서 유형에 대해 웨이브필드에서 전자를 가속화할 수 있는 전위차는 얼마나 큰가?
• RQ4 복사 원뿔 기하학과 광도는 웨이브필드 생성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 크랩 유사 펄서의 경우, 0.01 AU 거리에서 갇힌 전자는 약 0.4 keV의 전위차를 경험한다.
• 젊은 밀리초 펄서(P ≈ 0.001 s, ˙P ≈ 10−12 s−1)의 경우, 0.01 AU 거리에서 전위차가 최대 2 keV에 이른다.
• 웨이브필드 전위는 복사 반동력과 전하 분리에 의해 유도되며, 정규화된 위치 β에 따라 분석적으로 주어진다.
• 모델은 파동의 위상 속도가 복사 군속도와 일치하는 웨이브필드가 전자를 효율적으로 갇히고 가속화할 수 있음을 예측한다.
• 전위차는 펄서의 자전 주기와 자전 감쇠율에 따라 강하게 비례하므로, 밀리초 펄서가 입자 가속기로서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 펄서 풍 난류에서 관측된 X선 광도와 복사 원뿔 각도와 일치하며, 이 가속 메커니즘의 실현 가능성을 뒷받침한다.