[논문 리뷰] The physics of strong magnetic fields and activity of magnetars

Qiu He Peng, Hao Tong|ArXiv.org|2009. 11. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 자석성성의 자기장 기원을 비등방성 중성자 초유체 내에서 3P2 중성자 코페어의 강자성 정렬에서 기인한다고 제안하며, 약 ~10⁷ K 이하의 임계 상전이에 기인한다. 이로 인한 자기장은 최대 (3.0–4.0)×10¹⁵ G에 이르며, 강한 자기장에서 초고에너지 전자 페르미 에너지에 의해 유도되는 전자 포획 불안정성으로 인해 X선 및 연약한 감마선 방출 형태로 에너지가 방출된다.

ABSTRACT

A phase transition from paramagnetism to ferromagnetism in neutron star interior is explored. Since there is $^3$P$_2$ neutron superfluid in neutron star interior, it can be treated as a system of magnetic dipoles. Under the presence of background magnetic field, the magnetic dipoles tend to align in the same direction. Below a critical temperature, there is a phase transition from paramagnetism to ferromagnetism. And this gives a convenient explanation of the strong magnetic field of magnetars. In our point of view, there is an upper limit for the magnetic field strength of magnetars. The maximum field strength of magnetars is about $(3.0-4.0) imes 10^{15}$ G. This can be tested directly by further investigations. Magnetars are instable due to the ultra high Fermi energy of electrons. The Landau column becomes a very long cylinder along the magnetic field, but it is very narrow and the Fermi energy of electron gas is given as $E_F(e)\approx40(B/B_{cr})^{1/4}$ when $B\gg B_{cr}$. $E_F(e)\approx90MeV$ When $B\sim10^{15}$ G. Hence, the electron capture process $e^-+p o n+ν_e$ will be happen rapidly. Thus the $^3$P$_2$ Cooper pairs will be destroyed quickly by the outgoing neutrons with high energy. It will cause the isotropic superfluid disappear and then the magnetic field induced by the $^3$P$_2$ Cooper pairs will be also disappear. These energy will immediately be transmitted into thermal energy and then transformed into the radiation energy with X-ray - soft $γ$-ray. We may get a conclusion that the activity of magnetars originates from instability caused by the high Fermi energy of electrons in extra strong magnetic field.

연구 동기 및 목표

• 자석성성에서 초강력 자기장을 생성하는 기원을 설명하는 것, 이는 중성자별 물리학 분야의 열린 문제이다.
• 3P2 중성자 초유체의 상전이가 강자성으로 전이될 수 있는지 여부를 조사하여 관측된 자석성성 자기장을 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 이 메커니즘을 통해 달성 가능한 자기장 강도의 상한선을 결정하는 것.
• 자석성성 활동(엑스선/연약한 감마선 방출)이 강한 자기장 내 고에너지 전자 페르미 에너지에서 기인하는 불안정성과 어떻게 연결되는지 밝혀내는 것.
• 초유체 및 전자 물리학에 기반한 자석성성 자기장 생성 및 에너지 출력에 대한 자기 일관성 있는 모델 제공.

제안 방법

• 3P2 코페어의 내재 자기모멘트 2μₙ을 갖는 자기다중극자 시스템으로 중성자 초유체를 모델링한다.
• 온도 의존적 자기 정렬을 기술하기 위해 브릴루아인 함수 f(μₙB/kT)를 적용하여 열 효과를 고려한다.
• 유도 자기모멘트 μ⁽ⁱⁿ⁾(³P₂) = μₙNₐm(³P₂)qf(μₙB/kT)를 계산하며, 여기서 q ≈ 8.7%는 3P2 쌍에 있는 중성자의 비율이다.
• 유도 자기장의 최대값 B⁽ⁱⁿ⁾ₘₐₓ ≈ 2.02×10¹⁴ η G를 유도하며, 여기서 η는 질량, 반경, 쌍성 갭에 따라 달라진다.
• 랜다우 양자화를 사용하여 B ≫ B_cr일 경우 전자 페르미 에너지 E_F(e) ≈ 40(B/B_cr)¹/⁴ MeV를 계산한다.
• E_F(e) > 60 MeV일 경우 전자 포획 e⁻ + p → n + νₑ가 주요 불안정성 메커니즘으로 작용하며, 이로 인해 3P2 쌍이 파괴되고 에너지가 방출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3P2 중성자 초유체에서 파라자성에서 강자성으로의 상전이가 자석성성 자기장 기원을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 메커니즘을 통해 달성 가능한 자기장 강도의 이론적 상한선은 얼마인가?
• RQ3 초강력 자기장 내 고에너지 전자 페르미 에너지는 어떻게 불안정성과 에너지 방출을 유도하는가?
• RQ4 해당 에너지 방출이 AXPs 및 SGRs의 관측된 엑스선 및 연약한 감마선 복사수준을 설명할 수 있는가?
• RQ5 온도 의존적 브릴루아인 함수가 강자성 상태의 안정성 또는 촉발에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자석성성의 최대 자기장 강도는 (3.0–4.0)×10¹⁵ G로 예측되며, 이는 3P2 코페어 자기모멘트의 완전한 정렬에서 기인한다.
• 3P2 코페어에 있는 중성자의 비율은 q ≈ 8.7%이며, 이는 쌍성 갭 Δ(³P₂) ≈ 0.05 MeV과 페르미 에너지 E_F ≈ 60 MeV에서 유도된다.
• B ≈ 10¹⁵ G일 때 전자 페르미 에너지는 E_F(e) ≈ 90 MeV에 도달하여 중성자 페르미 에너지를 초월하며, 이로 인해 전자 포획이 급속히 발생한다.
• 파괴된 3P2 쌍당 방출되는 에너지는 10⁸ 년 동안 10³⁴–10³⁶ erg/s의 엑스선 복사수준을 유지하는 데에 충분하다.
• 총 에너지 방출은 E⁽ᵗᵒᵗ⁾ ≈ 2.0×10⁵¹ [(B/B_cr)¹/⁴ − 1.5] (m(³P₂)/0.1M☉) ergs로 추정되며, 이는 AXPs/SGRs 활동과 일치한다.
• 불안정성은 전자 포획 과정에서 생성된 고에너지 중성자가 3P2 코페어를 파괴하고 유도 자기장을 파괴함으로써 발생한다.