[논문 리뷰] On the physics of cold MHD winds from oblique rotators

S. V. Bogovalov|arXiv (Cornell University)|1999. 07. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 4인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 분할-단극자 자기장과 기울어진 자전축을 가진 냉각 MHD 바람이 축대칭 자전자와 동일한 역학을 보임을 보여주며, 이는 회전 손실과 플라즈마 가속 메커니즘이 자기장 기울기 각도와 독립적임을 시사한다. 핵심 발견은 라디오 펄서가 일반적으로 느린 자전자(σ₀/U₀² < 1)로서 Poynting-플럭스 지배 바람을 방출하며, 이상 MHD 메커니즘을 통한 효과적인 가속이 없음을 의미한다. 이는 펄서 바람에서 에너지 변환을 위해 소산 과정이 필수적임을 시사한다.

ABSTRACT

I show that the self-consistent solution of the problem of MHD plasma flow in magnetosphere of an oblique rotator with an initially split-monopole magnetic field is reduced to the solution of the similar problem for the axisymmetric rotator. All properties of the MHD cold plasma flows from the axisymmetric rotators with the initially split-monopole magnetic field are valid for the oblique rotators as well. Rotational losses of the oblique rotator do not depend on the inclination angle and there is no temporal evolution of this angle. Self-consistent analytical and numerical solutions for the axisymmetric plasma flows obtained earlier show that the rotators can be divided on fast rotators ($σ_0/U_0^2 &gt; 1$) and slow rotators ($σ_0/U_0^2 &lt; 1$), where $σ_0$ is the ratio of the Poynting flux to the matter energy flux in the flow at the equator on the surface of the star, $U_0 = γ_0v_0/c$, $v_0$ and $γ_0$ are the initial velocity and Lorentz-factor of the plasma. The self-consistent approximate analytical solution for the plasma flow from the oblique rotator is obtained under the condition $σ_0/U_0^2 \ll 1$. Implications of these results for radio pulsars are discussed. In particular, I argue that all radio pulsars are apparently the slow rotators ejecting the Poynting dominated relativistic wind.

연구 동기 및 목표

• 기울어진 자기다중극이 자전축과 일치하지 않을 경우, 축대칭 자전자와 비교해 MHD 바람 역학이 다를지 여쭤보는 것.
• 기울기 각도가 상대론적 바람에서 회전 에너지 손실이나 플라즈마 가속에 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 실제 파arameter 조건 하에서 이상 MHD 메커니즘이 펄서 자기장에서 플라즈마를 효과적으로 가속시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 이러한 발견이 라디오 펄서 바람의 에너지학, 특히 크랩 성운과 같은 천체에서 관측된 Poynting 플럭스 지배 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 문제는 초기에 분할-단극자 자기장을 가진 기울어진 자전자에 대해 자가일관된 MHD 방정식을 풀는 것으로 단순화된다. 이는 축대칭 경우와 유사하다.
• 축대칭 자전자에 대한 해석적 및 수치적 해법을 이상 MHD 및 냉각 플라즈마 흐름을 가정하여 기울어진 자전자에 적용한다.
• σ₀/U₀² 비율을 사용해 자전자를 빠른(σ₀/U₀² > 1) 또는 느린(σ₀/U₀² < 1)으로 분류하며, 여기서 U₀ = γ₀v₀/c이고 σ₀는 항성 등위면에서 Poynting 대비 운동에너지 플럭스 비율을 나타낸다.
• σ₀/U₀² ≪ 1 조건 하에서 자가일관된 근사 해석적 해를 유도하며, 이는 느린 자전자에 대해 유효하다.
• 바람 내에서 소산이 없다는 가정을 하고, 플라즈마 흐름은 정적인 상태이며 상대론적이라고 간주한다.
• EGRET 펄서(예: 크랩, 벨라, 제밍가)의 관측 제약 조건과 비교하여 γ₀, H₀, I = 10⁴⁵ g·cm²의 추정치를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자전자에서 자기다중극의 기울기가 냉각 MHD 플라즈마 바람의 역학에 축대칭 구조와 비교해 상당한 영향을 미치는가?
• RQ2 기울어진 자전자에서 이상 MHD 메커니즘이 상대론적 플라즈마를 효과적으로 가속시켜 라디오 펄서 바람의 관측된 특성을 설명할 수 있는가?
• RQ3 기울기 각도가 펄서 바람에서 회전 에너지 손실과 플라즈마 빔화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 초기에는 Poynting-플럭스 지배인 플라즈마가 별에서 출발하지만, 먼 거리에서는 왜 여전히 Poynting 플럭스 지배인가?
• RQ5 이상 MHD가 이를 수행하지 못함을 감안할 때, 바람 내 소산 과정이 Poynting 플럭스를 운동에너지로 전환할 수 있는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 분할-단극자 자기장을 가진 기울어진 자전자에서의 냉각 MHD 바람 역학은 축대칭 자전자와 수학적으로 정확히 동일하며, 플라즈마 흐름 거동에 질적 차이가 없음을 시사한다.
• 기울어진 자전자에서의 회전 에너지 손실은 기울기 각도와 무관하며, 각도는 시간이 지남에 따라 변화하지 않는다.
• 모든 연구된 라디오 펄서(Crab, Vela, Geminga, PSR 1706-44, PSR 1509-58, PSR 1951+32, PSR 1055-55)는 U₀ ≥ 200 조건에서 느린 자전자(σ₀/U₀² < 1)로 분류된다.
• 이 펄서들에서는 바람이 소스에서 Poynting-플럭스 지배적이며, σ₀ ≈ 1000이지만, 네뷸라 관측과 일치시키기 위해 먼 거리에서 σ ≈ 0.003로 진화해야 한다.
• 이상 MHD 메커니즘을 통한 효과적인 플라즈마 가속은 발견되지 않았다. 즉, 자성력 중심력이나 빛원통 근처의 토로이드 자기장 기울기 모두 충분한 가속을 제공하지 못한다.
• 결과적으로 이상 MHD만으로는 필요한 에너지 전환을 설명할 수 없으며, 오직 비이상 MHD 과정(예: 난류, 비정상 전도도 또는 충격파)을 통해 Poynting 플럭스가 운동에너지로 전환될 수 있음을 시사한다.