[논문 리뷰] Giant Pulses from PSR B1937+21 with widths = 5 x 10^39 K, the Highest Brightness Temperature Observed in the Universe

V. A. Soglasnov, M. В. Попов외 5명|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 16.

Radio Astronomy Observations and Technology인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 밀리초 펄서 PSR B1937+21으로부터 관측된 거대한 라디오 펄스를 보고한다. 이 펄스의 밝기 온도는 5 × 10^39 K에 도달하여 우주에서 관측된 바 있는 최고 수준이다. S2 VLBI 시스템과 70m 라디오 천체망원경을 사용한 연구에서, 이러한 펄스는 주 펄스 및 인터펄스 프로파일의 뒷쪽 가장자리에서 주로 발생하며, 일반적으로 단일 펄스 형태를 띠며, 펄서의 극광에서 국소적인 방전이 원인이 되는 것으로 보이며, 자기권 내의 플라즈마 과정은 아닐 가능성이 높다.

ABSTRACT

Giant radio pulses of the millisecond pulsar B1937+21 were recorded with the S2 VLBI system at 1.65 GHz with NASA/JPL's 70-m radio telescope at Tidbinbilla, Australia. These pulses have been observed as strong as 65000 Jy with widths = 5 x 10^39 K, the highest observed in the universe. The vast majority of these pulses occur in a 5.8 mcs and 8.2 mcs window at the very trailing edges of the regular main pulse and interpulse profiles, respectively. Giant pulses occur in general with a single spike. Only in one case out of 309 was the structure clearly more complex. The cumulative distribution is fit by a power law with index -1.40 +/- 0.01 with a low-energy but no high-energy cutoff. We estimate that giant pulses occur frequently but are only rarely detected. When corrected for the directivity factor, 25 giant pulses are estimated to be generated in one neutron star revolution alone. The intensities of the giant pulses of the main pulses and interpulses are not correlated with each other nor with the intensities or energies of the main pulses and interpulses themselves. Their radiation energy density can exceed 300 times the plasma energy density at the surface of the neutron star and can even exceed the magnetic field energy density at that surface. We therefore do not think that the generation of giant pulses is linked to the plasma mechanisms in the magnetosphere. Instead we suggest that it is directly related to discharges in the polar cap region of the pulsar.

연구 동기 및 목표

• 밀리초 펄서 PSR B1937+21에서 발생하는 극단적인 라디오 방출 사건의 기원을 조사하는 것.
• 우주에서 관측된 바 있는 가장 높은 밝기 온도를 생성하는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 거대 펄스와 정규 주 펄스 및 인터펄스 방출 프로파일 간의 관계를 평가하는 것.
• 자기권 내 플라즈마 과정인지, 또는 국소적인 표면 현상(예: 극광 방전)이 방출의 원인인지 평가하는 것.

제안 방법

• NASA/JPL의 70m 라디오 천체망원경을 이용해 오스트레일리아 티드빈빌에서 1.65 GHz 대역에서 거대 펄스를 관측한 것.
• 고각도 해상도와 정밀한 펄스 방출 타이밍을 확보하기 위해 S2 VLBI 시스템을 활용한 것.
• 주 펄스 및 인터펄스 프로파일에 대한 펄스 강도, 폭, 시간 분포를 분석한 것.
• 누적 펄스 강도 분포를 지수 -1.40 ± 0.01을 가진 등급 법 모델로 통계적 피팅한 것.
• 방향성 요소를 보정한 후 뉴트론별 한 회전당 거대 펄스의 총 에너지 출력을 추정한 것.
• 뉴트론별 표면에서의 플라즈마 및 자기장 에너지 밀도와의 비교를 통해 거대 펄스의 에너지 밀도를 평가한 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR B1937+21에서 거대 펄스가 도달한 최대 밝기 온도는 얼마이며, 다른 천체물리적 소스와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 거대 펄스는 펄스 프로파일의 어느 부분에서 주로 발생하는가? 주 펄스 또는 인터펄스와 시간적 상관관계가 있는가?
• RQ3 거대 펄스는 정규 주 펄스 또는 인터펄스 방출의 강도나 에너지와 상관이 있는가?
• RQ4 특히 플라즈마 에너지 밀도와 자기장 에너지 밀도를 초월하는 극도로 높은 에너지 밀도를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 방출 메커니즘은 자기권 내 플라즈마 과정과 관련이 있는가, 아니면 극광 방전과 같은 표면 현상과 관련이 있는가?

주요 결과

• PSR B1937+21에서 발생한 거대 펄스는 최대 65,000 Jy의 픽스 강도와 5 × 10^39 K의 밝기 온도를 기록하였으며, 이는 우주에서 기록된 바 있는 최고 수준이다.
• 거대 펄스의 대부분은 주 펄스의 뒷쪽 가장자리에서 5.8 ms 창에서, 인터펄스의 뒷쪽 가장자리에서 8.2 ms 창에서 발생하였다.
• 309개의 거대 펄스 중 유일하게 하나만 복잡한 구조를 보였으며, 이는 대부분 단일 펄스 사건임을 시사한다.
• 누적 강도 분포는 지수 -1.40 ± 0.01을 가진 등급 법을 따르며, 고에너지 마이너스 절단이 없어 지속적인 에너지 공급 과정을 시사한다.
• 방향성 보정 후 뉴트론별 한 회전당 약 25개의 거대 펄스가 생성된 것으로 추정되어, 높은 내재적 방출률을 나타낸다.
• 거대 펄스의 에너지 밀도는 뉴트론별 표면에서의 플라즈마 에너지 밀도와 자기장 에너지 밀도를 모두 초월하며, 자기권 내 플라즈마 과정이 주요 원인일 수 없음을 시사하고, 극광 방전이 주요 메커니즘임을 지지한다.