[논문 리뷰] Non-dipolar magnetic field at the polar cap of neutron stars and the physics of pulsar radiation

Andrzej Szary|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 15.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 펄서 방사선을 설명하기 위해 부분적으로 차폐된 갭(Partially Screened Gap, PSG) 모델을 제안한다. 이 모델은 곡률 방사(Curvature Radiation, CR)와 역코히번산산란(Inverse Compton Scattering, ICS)이 서로 다른 펄서에서 갭 붕괴를 지배함을 보여주며, 이중 메커니즘을 통해 모드 전환, 펄스 정지, 반비례하는 라디오/X선 방출을 설명한다. ICS 지배 갭은 더 높은 에너지 방출과 더 강한 플라즈마 분출을 생성한다.

ABSTRACT

Despite the fact that pulsars have been observed for almost half a century, many questions have remained unanswered. We use the analysis of X-ray observations in order to study the polar cap region of radio pulsars. The size of the hot spots implies that the magnetic field configuration just above the stellar surface differs significantly from a purely dipole one. We can estimate the surface magnetic field as of the order of $10^{14}\,{ m G}$. On the other hand, the temperature of the hot spots is about a few million Kelvins. Based on these two facts the Partially Screened Gap (PSG) model was proposed to describe the Inner Acceleration Region (IAR). The PSG model assumes that the temperature of the actual polar cap is equal to the so-called critical value, i.e. the temperature at which the outflow of thermal ions from the surface screens the gap completely. We have found that, depending on the conditions above the polar cap, the generation of high energetic photons in IAR can be caused either by Curvature Radiation (CR) or by Inverse Compton Scattering (ICS). This results in two different scenarios of breaking the acceleration gap: the so-called PSG-off mode for CR-dominated gaps and the PSG-on mode ICS-dominated gaps. The existence of two different mechanisms of gap breakdown naturally explains the mode-changing and the pulse nulling. Furthermore, the mode changes of the IAR may explain the anti-correlation of radio and X-ray emission in very recent observations of PSR B0943+10 (Hermsen et al., 2013). Simultaneous analysis of X-ray and radio properties have allowed to develop a model which explains the drifting subpulse phenomenon. According to this model the drift takes place when the charge density in IAR differs from the Goldreich-Julian co-rotational density. The proposed model allows to verify both the radio drift parameters and X-ray efficiency of the observed pulsars.

연구 동기 및 목표

• 극단자기극에서의 X선 관측을 통해 오랫동안 지속된 펄서 방사선 물리학 문제를 해결하기 위해.
• 관측된 핫스팟 온도(~수백만 K)와 표면 자기장(~10^14 G) 간의 괴리, 즉 순수한 두극자 구조와의 이질성을 설명하기 위해.
• 모드 전환, 펄스 정지, 다중파장 방출을 모두 고려한 내부 가속 영역(Inner Acceleration Region, IAR) 물리학의 통합 모델을 개발하기 위해.
• 비두극자 자기장이 중성자별에서 갭 구조와 방사 메커니즘을 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 관측된 핫스팟 크기를 기반으로 자기력선 보존 원리를 적용하여, 고립된 펄서의 표면 자기장을 약 ~10^14 G로 추정한다.
• 극단자 온도가 갭의 완전한 차폐를 위한 임계값에 근접한 부분적으로 차폐된 갭(Partially Screened Gap, PSG) 모델을 적용한다.
• 두 가지 별개의 메커니즘을 통해 갭 붕괴를 모델링한다: 곡률 방사(CR)-지배(PSG-off 모드)와 역코히번산산란(ICS)-지배(PSG-on 모드).
• 입자 및 광자의 평균 자유경로, 쌍생성 및 광자 분열 감쇠 계수를 계산하고, 캐스케이드 시뮬레이션에서 상대론적 비틀림과 굴절 효과를 적용한다.
• 광자 전파, 싱크로트론 방사선, ICS 교차단면을 사용하여 캐스케이드 발달을 시뮬레이션하며, 배경 광자 밀도는 열방출에서 추정한다.
• 반복 알고리즘을 사용하여 갭 높이와 스파크 구조를 분석하고, 주기, 자기장, 곡률 반경이 다른 펄서 간의 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 극단자 위의 비두극자 자기장이 가속 갭의 구조와 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 내부 가속 영역에서 곡률 방사와 역코히번산산란 중 어느 것이 갭 붕괴를 지배하는가를 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ3 이중 모드 행동(PSG-on/PSG-off)은 관측된 라디오 펄서의 모드 전환과 펄스 정지를 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ4 PSR B0943+10에서 관측된 반비례하는 라디오 및 X선 방출은 어떤 물리적 조건에 의해 발생하는가?
• RQ5 펄서 주기, 자기장 강도, 곡률 반경의 변화가 IAR의 효율성과 방출 출력에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• PSG 모델은 PSR B0943+10에서 관측된 라디오와 X선 방출 간의 반비례 관계를 ICS 지배(PSG-on 모드)와 CR 지배(PSG-off 모드) 갭 모드 간 전환을 통해 성공적으로 설명한다.
• PSG-off 모드(CR 지배)에서는 갭이 좁고 낮은 에너지 광자를 생성하지만, PSG-on 모드(ICS 지배)에서는 갭이 넓고 더 높은 에너지 방출을 생성한다.
• PSRs B0628-28, J0633+1746, B0834+06, B0943+10에 대해 관측된 펄스 드리프트 매개변수와 X선 광도를 모델이 재현하여 그 예측 능력을 검증한다.
• PSG-on 모드와 PSG-off 모드 간에 이차 플라즈마 밀도와 에너지 분포가 크게 다름을 확인하여, 플라즈마 고갈에 의한 펄스 정지의 기원을 설명한다.
• PSR B0834+06에서 T_s = 1.0 MK 및 R_ws = 1 km 조건에서 ICS 광자가 지배적이며, 평균 자유경로는 약 ~100 m로 나타나 핫스팟 내에서 ICS 효율성이 높음을 시사한다.
• PSG-off 모드에서 갭 높이는 자기장 강도와 곡률 반경에 민감하며, 갭 높이가 증가할수록 최소 스파크 반지름이 감소함을 확인하여 관측된 서브펄스 드리프트와 일치한다.