[論文レビュー] Polarization in Pulsar Wind Nebulae

D. Volpi, L. Del Zanna+2 more|ArXiv.org|Mar 24, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、相対論的磁気流体力学（RMHD）シミュレーションを用いて、パulsar風雲（PWNe）における光学およびX線偏光をシミュレート・予測する新しい計算フレームワークを提示する。シンクロtron放射とドーナツ型の偏光角のずれ、ドップラー効果などの相対論的効果をモデル化することで、カブネビュラのジェット-トーラス構造と偏光特徴を再現し、偏光マップが流れの速度と磁界の幾何構造、特に包み込み成分を含むものも含めて制約可能であることを示している。

ABSTRACT

The main goal of our present work is to provide, for the first time, a simple computational tool that can be used to compute the brightness, the spectral index, the polarization, the time variability and the spectrum of the non-thermal light (both synchrotron and inverse Compton, IC) associated with the plasma dynamics resulting from given relativistic magnetohydrodynamics (RMHD) simulations. The proposed method is quite general, and can be applied to any scheme for RMHD and to all non-thermal emitting sources, e.g. pulsar wind nebulae (PWNe), and in particular to the Crab Nebula (CN) as in the present proceeding. Here only the linear optical and X-ray polarization that characterizes the PWNe synchrotron emission is analyzed in order to infer information on the inner bulk flow structure, to provide a direct investigation of the magnetic field configuration, in particular the presence and the strength of a poloidal component, and to understand the origin of some emitting features, such as the knot, whose origins are still uncertain. The inverse Compton radiation is examined to disentangle the different contributions to radiation from the magnetic field and the particle energy distribution function, and to search for a possible hadronic component in the emitting PWN, and thus for the presence of ions in the wind. If hadronic radiation was found in a PWN, young supernova remnants would provide a natural birth-place of the cosmic-rays (CRs) up to the so-called knee in the CR spectrum.

研究の動機と目的

• RMHDシミュレーションによるプラズマのダイナミクスから、非熱的放射、特に偏光を予測するための一般化された計算ツールを開発すること。
• 光学およびX線バンドにおける線形偏光が、特に包み込み成分の存在と強度を含めた磁界構造をどのように明らかにするかを調査すること。
• カブネビュラにおける中心 Knot やアークなどの観測された特徴の起源を、偏光シグネチャを通じて理解すること。
• 今後のインテグラル/IBISなどのミッションによる高分解能偏光観測と比較可能にするための基盤を提供すること。
• ドーパラー効果や偏光角のずれといった相対論的効果が、観測された偏光パターンにどのように寄与するかを評価すること。

提案手法

• 2次元軸対称のRMHDシャック・キャプチャリングコードを用いて、断熱的およびシンクロtron損失を伴う粒子エネルギーの進化を含むプラズマのダイナミクスをシミュレートする。
• ドーパラー因子 $D$、共動磁界 $\vec{B}'$、および粒子エネルギー $\epsilon_{\infty}$ を含む相対論的定式化を用いてシンクロtron発光係数を計算する。
• 周波数カットオフ $\nu_{\infty} = D \cdot 3e/(4\pi m c) \cdot |\vec{B}' \times \vec{n}'| \epsilon_{\infty}^2$ を持つべきべき分布と組み合わせて、発光係数 $j_{\nu}$ を計算する。
• 線積分による表面輝度 $I_{\nu} = \int j_{\nu} \, dx$ を計算することで、強度および偏光の合成マップを生成する。
• 発光係数からストークスパラメータと偏光度 $\Pi_{\nu}$ を導出し、偏光方向を磁界および視線方向に対して相対的にマップする。
• 偏光角のずれといった相対論的効果をモデルに組み込み、特に $v \gtrsim 0.5c$ の相対論的領域で、トーラスの前面と背面で偏光ベクトルの回転が非対称になることを再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RMHDシミュレーションをどのように活用して、PWNeにおけるシンクロtron放射の偏光特性を予測できるか？
• RQ2 観測された偏光パターンから、流れの速度と磁界幾何構造に関するどのような情報を抽出できるか？
• RQ3 ドーパラー効果や偏光角のずれといった相対論的効果が、観測された偏光方向および偏光度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 合成偏光マップは、カブネビュラにおける中心 Knot やアークといった微細構造を再現できるか？
• RQ5 偏光度と方向は、トーラス型、包み込み型、あるいは無秩序な磁界成分をどの程度まで区別できるか？

主な発見

• runA の合成光学およびX線マップは、シンクロtron燃焼に伴う周波数上昇に伴うサイズの縮小を伴い、ジェット-トーラス構造を再現している。
• 偏光度 $\Pi_{\nu}$ は、磁界が視線に対して直交する極軸およびトーラスの前面で最大70％に達する。
• 磁界成分が視線方向に符号が反対となる領域では偏光が減少する。
• 偏光角のずれにより、磁界に対して直交しない偏光ベクトルのずれが生じ、特に $v \gtrsim 0.5c$ の相対論的領域で顕著となり、$0.8c$ で $90^\circ$ のずれが予測される。
• モデルは、光学およびX線周波数で平均して $\approx 18\%$ の偏光度を予測し、ワイスコップの観測値 $\approx 20\%$ と整合的である。
• 中心 Knot のような特徴は、扁平な終着衝撃波の下流にあるくびれ領域で形成され、衝撃の幾何構造と放射特徴との関連を示唆している。