[論文レビュー] A model for double notches and bifurcated components in radio profiles of pulsars and magnetars - Evidence for the parallel acceleration maser in pulsar magnetosphere

J. Dyks, B. Rudak+1 more|ArXiv.org|Oct 30, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 51被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、パulsarおよびマグネタールの電波プロファイルに見られるW字型の二重ディップおよび分岐成分を説明するため、共鳴逆コンプトン散乱に基づく自由電子メーザー模型を提案する。この模型は、観測された周波数依存性Δ ∝ ν_obs^−1/2 および偏光特性、放射の幾何学的配置を、複雑な日食メカニズムを必要とせずに再現する。

ABSTRACT

Averaged pulse profiles of three nearby pulsars: B1929+10, J0437-4715 and B0950+08 exhibit unusual `double notches'. These W-like looking features consist of two adjacent V-shaped dips that approach each other at increasing observation frequency nuobs roughly at a rate sep \propto nuobs^{-1/2}, where sep is the separation between the notches' minima. We show that basic properties of the notches, namely their W-like look and the rate of their converging can be understood within a narrow class of models of coherent radio emission from pulsars: the free electron maser models based on coherent inverse Compton scattering of parallel oscillations of ambient electric field. The observed properties of the pulsars imply that the Fourier spectrum of the wiggler-like oscillations is narrow and that the broad-band character of the radio emission reflects the width of the electron energy distribution. Such a model provides a natural explanation for the frequency-independent separation between the main pulse and interpulse of B0950+08 as well as for the lack of radius to frequency mapping in the conal-like emission of J0437-4715. The frequency behaviour of the main pulse in the profile of the first radio magnetar XTE J1810-197 can also be explained within this model.

研究の動機と目的

• パルサー電波プロファイルに見られるW字型の二重ディップが、周波数が上昇するにつれてV字型の溝が収束することの起源を説明すること。
• 従来の日食に基づくモデルの限界を解消すること。これらのモデルはW字型の形状を再現できず、観測されない偏光の消失を予測する。
• 主パルスから遠く離れたピラミッド成分の偏光行動、特に位置角曲線の左シフトを説明すること。
• B0950+08におけるメインパルスとインターパルスの周波数に依存しない分離、およびJ0437−4715における半径-周波数マッピングの欠如を説明する物理的メカニズムを提供すること。
• 多周波数観測およびマイクロ構造予測との比較を通じて、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• パルサー磁気圏内における環境電場の平行振動の共鳴逆コンプトン散乱に基づく自由電子メーザー模型を開発する。
• ウィグル型振動の狭帯域フーリエスペクトルを用い、広い電子エネルギー分布を仮定することで、観測された広帯域電波放射を生成する。
• 相対論的運動、放射の指向性、周波数依存性のあるビーム幾何学を組み込んだモデルを用いて、数値的にパルスプロファイルをシミュレートする。
• 回転ベクトルモデル（RVM）を適用して位置角曲線を解釈し、主パルスに対して左にずれたS字型曲線と整合性があるかを検証する。
• 特に電子エネルギー分布と放射の幾何学的配置に着目し、物理的パラメータからΔ ∝ ν_obs^−1/2 のスケーリングを導出する。
• B1929+10、J0437−4715、B0950+08、XTE J1810−197の多周波数データと比較することで、周波数依存性および偏光行動の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜパルサー電波プロファイルの二重ディップは、幅Wが分離Δとほぼ等しいW字型の形態を示すのか？
• RQ2 複雑な日食効果やカウスティック効果を仮定せずに、観測された周波数依存性Δ ∝ ν_obs^−1/2 を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 回転磁気圏内での標準的放射モデルと整合するように、ピラミッド成分における位置角曲線の左シフトをどのように説明できるか？
• RQ4 なぜ主パルスから離れて高く、かつ大気圏外に位置するピラミッド領域の放射は強く線形偏光されており、RVMと整合的であるのか？
• RQ5 同じモデルが、J0437−4715の円錐的放射における二重ディップおよび半径-周波数マッピングの欠如を説明できるか？

主な発見

• モデルはW ≈ Δを満たすW字型の二重ディップを成功裏に再現し、従来の日食モデルが満たせない重要な幾何的制約を満たす。
• 観測された周波数依存性Δ ∝ ν_obs^−1/2 は、特に電子エネルギー分布と放射の幾何学的配置というモデルの物理的パラメータによって自然に説明される。
• カウスティックや相対速度の差による偏光消失効果を仮定せずとも、ピラミッド成分の強い線形偏光および左シフトした位置角曲線を説明できる。
• B0950+08におけるメインパルスとインターパルスの周波数に依存しない分離は、メーザー機構における放射の幾何学的配置と電子エネルギー分布の結果として自然に説明される。
• J0437−4715の円錐的放射における半径-周波数マッピングの欠如は、広い電子エネルギー分布と非局在的放射領域というモデルの仮定によって自然に説明される。
• モデルは、ディップ放射成分において1 μs程度の周期のマイクロ構造を予測し、将来的な高時間分解能観測による検証が可能な観測的シグネチャを提供する。