[논문 리뷰] Temperature distribution in magnetized neutron star crusts. II. The effect of a strong toroidal component

U. Geppert, M. Küker외 1명|ArXiv.org|2005. 12. 21.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 41인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 중성자별의 유타층에서 강한 토로이달 자기장 성분이 표면 온도 분포를 왜곡시켜, 비대칭적 가열(예: 한 극지역이 반대 극보다 더 따뜻함)을 유도하는 방식을 조사한다. 이는 비등방성 열전도로 인한 것이다. 연구는 이러한 자기장 구조가 RXJ 1856-3754의 X선 및 가시광선 스펙트럼을 설명할 수 있음을 보여주며, 적도 벨트가 가시광선 방출을 주도하고 극 지역이 X선 플럭스를 주도함을 시사한다. 이는 관측된 광도곡선과 스펙트럼으로부터 내부 자기장 기하학을 추론하는 방법을 제공한다.

ABSTRACT

We continue the study of the effects of a strong magnetic field on the temperature distribution in the crust of a magnetized neutron star (NS) and its impact on the observable surface temperature. Extending the approach initiated in Geppert et al.(2004), we consider more complex and, hence, more realistic, magnetic field structures but still restrict ourselves to axisymmetric configurations. We put special emphasis on the heat blanketing effect of a toroidal field component. We show that asymmetric temperature distributions can occur and a crustal field consisting of dipolar poloidal and toroidal components will cause one polar spot to be larger than the opposing one. These two warm regions can be separated by an extended cold equatorial belt. We present an internal magnetic field structure which can explain both the X-ray and optical spectra of the isolated NS RXJ 1856-3754. We investigate the effects of the resulting surface temperature profiles on the observable lightcurve which an isolated thermally emitting NS would produce for different field geometries. The lightcurves will be both qualitatively (deviations from sinusoidal shape) and quantitatively (larger pulsed fraction for the same observational geometry) different from those of a NS with an isothermal crust. This opens the possibility to determine the interna} magnetic field strengths and structures in NSs by modeling their X-ray lightcurves and spectra. The striking similarities of our model calculations with the observed spectra and pulse profiles of isolated thermally emitting NSs is an indication for the existence of strong magnetic field components maintained by crustal currents.

연구 동기 및 목표

• 강한 토로이달 자기장 성분이 중성자별 유타층에서 열 이동과 표면 온도 분포에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 고립된 중성자별 RXJ1856-3754의 관측된 다중 대역 방출(X선 및 가시광선)을 비균일한 유타층 모델을 사용하여 설명하는 것.
• 특히 수직 및 토로이달 성분을 포함한 복잡한 자기장 기하학이 펄스 프로파일과 관측 가능한 플럭스에 미치는 영향를 조사하는 것.
• X선 광도곡선과 스펙트럼 에너지 분포를 모델링하여 내부 자기장 기하학을 추론하는 방법을 수립하는 것.
• 관측된 열적 방출 중성자별에서의 온도 비대칭성이 유타층 전류에 의해 유지되는 강력한 내부 토로이달 자기장을 설명할 수 있는지 테스트하는 것.

제안 방법

• 강한 자기장 하에서 축대칭 중성자별 유타층의 열전도를 수치적으로 모델링하며, 양자 및 고전적 자기장 효과에서 유도된 비등방성 열전도도 텐서를 사용한다.
• 변동 가능한 진폭과 반경 방향 프로파일을 가진 수직 및 토로이달 자기장 성분을 포함하며, 유타층 내 다양한 깊이에서 토로이달 성분의 局부 최대값을 포함한다.
• PY01 및 PYCG03의 업데이트된 운반 계수와 상태 방정식을 사용하여 Greenstein & Hartke(1983)의 형식을 유타층 열전도에 확장한다.
• 축대칭 구조에서 2차원(r, θ) 열전도 방정식을 풀어 표면 온도 분포를 시뮬레이션하며, 관측된 온도에 영향을 미치는 얇은 절연성 외피의 영향도 포함한다.
• 일반 상대성 이론이 광선 경로와 거리에 따른 플럭스 스케일링에 미치는 영향를 고려하여 표면 전체에서 블랙보디 복사의 통합을 통해 관측 가능한 플럭스와 펄스 프로파일을 계산한다.
• RXJ1856-3754의 관측 데이터에 합성 스펙트럼과 광도곡선를 맞추기 위해 항성 반지름, 거리, 간섭 흡수를 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 토로이달 자기장 성분은 순수하게 수직 자기장과 비교할 때 중성자별 유타층의 표면 온도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 수직 및 토로이달 성분을 모두 포함하는 자기장 구조는 RXJ1856-3754의 관측된 X선 및 가시광선 플럭스를 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ3 비균일한 유타층 온도(비등방성 열전도로 인한)를 가진 열적 방출 중성자별의 광도곡선 형태와 펄스 분율에 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ4 고립된 중성자별에서 관측된 표면 온도 비대칭성이 내부 자기장 기하학과 강도를 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 유타층 내에서 최대 토로이달 자기장 성분의 반경 방향 위치가 결과적인 표면 온도 프로파일과 관측 가능한 방출에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 토로이달 자기장 성분은 자기장 선 沿해 열전도가 향상되어 한 극 지역이 반대 극보다 현저히 따뜻한 비대칭 표면 온도 분포를 유도한다.
• 모델은 두 개의 따뜻한 극 지역을 분리하는 차가운 적도 벨트를 생성하며, 이는 RXJ1856-3754에서 관측된 X선(극지역)과 가시광선(적도) 방출의 분리에 설명을 줄 수 있다.
• RXJ1856-3754의 경우, 토로이달 자기장 강도 $ B^{ ext{tor}}_0 = 3 imes 10^{15} $ G와 핵 자기장 $ 7.5 imes 10^{12} $ G를 가진 최적의 피팅 모델은 관측자와 자전축이 일치할 때 X선 및 가시광선 스펙트럼을 모두 재현한다.
• 모델은 표면 최대 온도 $ T_{ ext{max}}^{ ext{infty}} = 8.54 imes 10^5 $ K와 효과적 온도 $ T_{ ext{eff}}^{ ext{infty}} = 4.62 imes 10^5 $ K를 예측하며, 거리 122 pc에서 관측 결과와 일치한다.
• 결과 광도곡선은 정현파 형태에서 크게 벗어나며, 동일한 관측 기하학에서 등온 유타층보다 높은 펄스 분율을 나타낸다.
• RXJ1856-3754를 포함한 고립된 열적 방출 중성자별의 관측 스펙트럼과 펄스 프로파일은 강력한 내부 토로이달 자기장을 가진 모델에 잘 맞으며, 이러한 자기장이 유타층 전류에 의해 유지된다는 것을 시사한다.