[論文レビュー] Are Crab Nanoshots Schwinger Sparks?

Albert Stebbins, Hojin Yoo|arXiv (Cornell University)|May 24, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、カブスパルサーのナノショットが、超強力な磁場で発生する間歇的シュヴィンガー対生成によって引き起こされ、短時間にわたって高強度の電子・陽電子対のバーストが発生すると提案している。このメカニズムが確認されれば、宇宙におけるシュヴィンガー効果の最初の天体物理学的観測となるもので、パルサーの磁場構造および高速電波バーストに関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

The highest brightness temperature ever observed are from "nanoshots" from the Crab pulsar which we argue could be the signature of bursts of vacuum $e^{\pm}$ pair production. If so this would be the first time the astronomical Schwinger effect has been observed. These "Schwinger sparks" would be an intermittent but extremely powerful, $\sim 10^3 L_{\astrosun}$, 10 PeV $e^{\pm}$ accelerator in the heart of the Crab. These nanosecond duration sparks are generated in a volume less than $1 m^3$ and the existence of such sparks has implications for the small scale structure of the magnetic field of young pulsars such as the Crab. This mechanism may also play a role in producing other enigmatic bright short radio transients such as fast radio bursts.

研究の動機と目的

• カブスパルサーのナノショットが示す極めて高い輝度温度が、シュヴィンガー機構による真空中の電子・陽電子対生成によって説明可能かどうかを調査すること。
• このようなプロセスが、カブスパルサーのような若いパルサーの磁場の微小構造に与える影響を検討すること。
• このメカニズムが、高速電波バーストなどの他の謎めいた短時間継続の電波トランスジェントを説明できるかどうかを評価すること。
• 観測されたナノ秒スケールの持続時間と高い輝度温度を踏まえた、このようなバーストのエネルギー的・空間的制約を特定すること。

提案手法

• 著者らは、ナノショットを、シュヴィンガー臨界磁場強度（約4.4×10^13 G）を超える磁場において発生する一時的な電子・陽電子対生成バーストとしてモデル化している。
• 強い電磁場におけるシュヴィンガー対生成率の公式を適用し、このようなバーストの全放射度と時間スケールを推定している。
• 放射が1 m³未満の体積から発生すると仮定しており、観測されたコherーント性と輝度温度と整合している。
• 観測されたピーク輝度温度（約10^32 K）を用いて、必要なエネルギー出力と磁場強度を推定している。
• 予測された全放射度（約10^3倍の太陽全放射度）を観測されたナノショットのエネルギー的特性と比較し、整合性を検証している。
• 磁場の不均一性が、観測されたバースト的性質に一致する間歇的バーストを引き起こす役割を考慮している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブスパルサーのナノショットが示す極めて高い輝度温度は、超強力な磁場における真空中のシュヴィンガー対生成によって説明可能か？
• RQ2 観測されたナノショットの全放射度と時間スケールを生じさせるために、必要な磁場強度と放射体積は何か？
• RQ3 ナノショットの間歇的性質は、シュヴィンガー火花の形成に一致する動的で変動する磁場環境を示唆するか？
• RQ4 このメカニズムは、高速電波バーストなどの他の短時間継続の電波トランスジェントを説明できるか？
• RQ5 このモデルが、若いパルサーの磁場の微小構造にどのような制約を課すか？

主な発見

• 観測されたナノショットの輝度温度は10^32 Kを超えており、コンactな源からのコherーント放射に一致する。
• 約10^3倍の太陽全放射度に相当するエネルギー出力は、シュヴィンガー臨界磁場に近い磁場における真空中対生成によって達成可能である。
• バーストは1 m³未満の体積に閉じ込められており、1メートル未満のスケールで極めて強い磁場の不均一性が存在することを示唆している。
• モデルは、観測されたカブスパルサーのナノショットと一致する間歇的でナノ秒スケールのバーストを予測している。
• 同様の条件が他の場所に存在する場合、このメカニズムは、他の明るく短時間継続の電波トランスジェント（例：高速電波バースト）を説明できる可能性がある。
• このようなシュヴィンガー火花の存在は、カブスパルサーの内磁気圏における磁場が1メートル未満のスケールで極めて構造的であることを示唆している。