[論文レビュー] Pulsar wind nebulae in supernova remnants

E. van der Swaluw, A. Achterberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2000

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、超新星残光（SNR）内におけるパルサー風 Nebulae（PWN）の球対称な流体力学的シミュレーションを提示しており、SNRの逆方向シャワーがPWNと相互作用し、その後PWNに対して相対的に減衰するにつれ、PWNの拡張が超音速から亜音速へと移行することを示している。主な結果として、波の散逸を通じて逆方向シャワーからPWN内部へのエネルギー移動が生じ、定常状態モデルの予測を上回ってPWNのエネルギー含量が約20%増加することを明らかにした。

ABSTRACT

A spherically symmetric model is presented for the interaction of a pulsar wind with the associated supernova remnant. This results in a pulsar wind nebula whose evolution is coupled to the evolution of the surrounding supernova remnant. This evolution can be divided in three stages. The first stage is characterised by a supersonic expansion of the pulsar wind nebula into the freely expanding ejecta of the progenitor star. In the next stage the pulsar wind nebula is not steady; the pulsar wind nebula oscillates between contraction and expansion due to interaction with the reverse shock of the supernova remnant: reverberations which propagate forward and backward in the remnant. After the reverberations of the reverse shock have almost completely vanished and the supernova remnant has relaxed to a Sedov solution, the expansion of the pulsar wind nebula proceeds subsonically. In this paper we present results from hydrodynamical simulations of a pulsar wind nebula through all these stages in its evolution. The simulations were carried out with the Versatile Advection Code.

研究の動機と目的

• 球対称な条件下におけるパルサー風 Nebulae（PWN）と超新星残光（SNR）の連成的進化をモデル化すること。
• SNRの逆方向シャワーが、初期および中間的進化段階におけるPWNの力学的挙動に与える影響を調査すること。
• Versatile Advection Code（VAC）を用いて、PWN拡張の解析的モデルと流体力学的シミュレーションを比較すること。
• 非定常的移行段階中に、逆方向シャワーからPWN内部へのエネルギー移動を定量化すること。
• PWNの拡張が超音速から亜音速へと移行する条件、およびそれに伴う構造的・エネルギー的変化を特定すること。

提案手法

• 流体力学的コードであるVersatile Advection Code（VAC）を用いてシミュレーションを実施した。VACは天体磁流体力学に特化したコードである。
• 球対称モデルを採用し、SNR中心に静止するパルサーと、線形速度プロファイルを有する均一な降着物質密度を仮定した。
• パルサー風は、一定のスピンダウンランプニティが駆動する風としてモデル化され、自由に拡張するSNR降着物質中に拡張する。
• 進化は3段階に分けた：自由降着物質中に超音速で拡張するPWN段階、逆方向シャワーの相互作用による非定常的振動段階、シャワーの反響が減衰した後の亜音速拡張段階。
• ランキン＝ヒュゴニオ関係とエネルギー収支に基づく解析的解を導出し、シミュレーション出力と比較した。
• PWNバブルのエネルギー含量を時間経過とともに追跡し、シャワー相互作用によるエネルギー増加を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期段階において、パルサー風 Nebulae（PWN）の拡張は、超新星残光（SNR）の力学的挙動とどのように連成的に進化するか？
• RQ2 超音速から亜音速へのPWN拡張移行の性質は何か？ そして、その移行を引き起こす要因は何か？
• RQ3 相互作用段階中に、SNRの逆方向シャワーからPWN内部へのエネルギー移動はどの程度の規模で発生するか？
• RQ4 定常風ランプニティ下でのPWN拡張の解析的モデルと、流体力学的シミュレーションの結果はどの程度一致するか？
• RQ5 シャワーの反響は、PWNの安定性およびエネルギー含量にどのような影響を及えるか？

主な発見

• PWNは初期段階において、自由に拡張するSNR降着物質に埋め込まれた状態で超音速で拡張する。これは、以前の解析的予測と整合的である。
• SNRの逆方向シャワーは、PWNに非定常的振動を引き起こし、反響による一時的な収縮と拡張のサイクルを生じさせる。
• 逆方向シャワーおよびその反響が減衰した後、PWNはSNR内部の近似圧力平衡状態に達し、亜音速拡張段階に入る。
• 波の散逸による逆方向シャワー相互作用のおかげで、PWNのエネルギー含量は、超音速段階からの半解析的予測を上回って約20%増加する。
• PWNがSNRの圧力に適応する時間スケールは、最初の段階における衝撃を受けた降着物質の音速に支配される。
• パルサーが顕著なキック速度を獲得した場合には、モデルが破綻する。その場合、パルサーはSNR内を超音速で移動し、バッシュ・ショックを形成するため、球対称性の仮定が成立しなくなる。