[論文レビュー] Pulsars: Progress, Problems and Prospects

Jonathan Arons|ArXiv.org|Aug 8, 2007

Space Technology and Applications参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、相対論的磁気流体力学（MHD）および力フリー電磁力学を用いたパルサー回転エネルギー損失のモデル化に関する進展をレビューし、磁気圏電流層における非定常的磁気再結合がトルクの変動およびブレーキング指数が3から逸脱する要因であることを特定している。また、プラズマ生成の主たる場所として極帯ギャップを強調し、高電圧パルサーにおける基本的プラズマパラメータを解明するための高感度ガンマ線観測の必要性を指摘している。

ABSTRACT

I survey recent successes in the application of relativistic MHD and force-free electrodynamics to the modeling of the pulsars' rotational energy loss mechanism as well as to the structure and emission characteristics of Pulsar Wind Nebulae. I suggest that unsteady reconnection in the current sheet separating the closed from the open zones of the magnetosphere is responsible for the torque fluctuations observed in some pulsars, as well as for departures of the braking index from the canonical value of 3. I emphasize the significance of the boundary layer between the closed and open zones as the active site in the outer magnetopshere. I elaborate on the conflict between the models currently in use to interpret the gamma ray and X-ray pulses from these systems with the electric current flows found in the spin down models. Because the polar cap ``gap'' is the essential component in the supply of plasma to pulsar magnetospheres and to pulsar wind nebulae, I emphasize the importance of high sensitivity gamma ray observations of pulsars with core components of radio emission and high magnetospheric voltage, since these observations will look directly into the polar plasma production region. I also discuss the shock conversion of flow energy into the spectra of the synchrotron emitting particles in the Nebulae. I comment on the prospects for future developments and improvements in all these areas.

研究の動機と目的

• 回転駆動パルサーにおける回転エネルギー損失のメカニズムを理解すること、特にエネルギー散逸に寄与する大規模なポンティングフラックスの役割を特定すること。
• 観測されたブレーキング指数と3という標準値との乖離を解明し、非定常的再結合および電流層ダイナミクスと関連付けること。
• 極帯ギャップ領域がプラズマ生成および高エネルギー放射の主要な場所であることを特定し、高感度ガンマ線観測の動機づけとすること。
• 力フリー電磁力学モデルと外磁気圏における粒子加速および対生成を調和させること。
• 相対論的シャワーがパルサー風ネビュラにおける風エネルギーを非熱的粒子スペクトルに変換する役割を評価し、重イオンの寄与の可能性を検討すること。

提案手法

• パルサーマグネトスフィアにおけるエネルギー損失および風構造のモデル化に、相対論的MHDおよび力フリー電磁力学を適用すること。
• 回転エネルギー損失を推定するためのポンティングフラックス式 $ \dot{E}_R \sim \Omega^4 \mu^2 / c^3 $ の使用、光速円半径 $ R_L $ およびアルヴェン半径 $ R_A $ による補正を含む。
• 閉じた磁気圏領域と開放的磁気圏領域の境界層を、活発な再結合および粒子加速の場としてモデル化すること。
• マグネトスフィア内の電流分布の分析により、光速円を越えて単極子的配置に漸近的に近づくことを示すこと。
• 時間依存的再結合を電流層に組み込むことで、トルクの変動および非一様なブレーキング指数を説明すること。
• 特に近い将来に打ち上げ予定のGLAST（フェルミ）ミッションを介して、タイミングおよび高エネルギー光子データからの観測的制約を理論モデルの検証に用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサーマグネトスフィア内で観測されたブレーキング指数の標準値3からの逸脱を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 閉じた磁気圏領域と開放的磁気圏領域の間の電流層における非定常的磁気再結合が、パルサーのスピンダウンおよび放射変動にどのように寄与するか？
• RQ3 極帯ギャップ領域がマグネトスフィアへのプラズマ供給および高エネルギー放射の駆動に果たす役割は何か？
• RQ4 パルサー風ネビュラにおける相対論的風エネルギーが非熱的粒子スペクトルにどのように変換されるか？重イオンはその過程でどのような役割を果たすか？
• RQ5 コア放射を示す高電圧パルサーに対する高感度ガンマ線観測は、極帯ギャップ領域の基本的プラズマパラメータをどの程度まで解明できるか？

主な発見

• 閉じた磁気圏領域と開放的磁気圏領域を分かつ電流層における非定常的磁気再結合が、トルクの変動およびブレーキング指数が3から逸脱する主な原因であると特定された。
• 極帯ギャップ領域がプラズマ生成および高エネルギー光子放射の主たる場所であることが確認され、高感度ガンマ線観測の主要なターゲットとなった。
• 力フリー電磁力学モデルは、光速円を越えて漸近的に単極子的場の幾何学的配置に近づく外磁気圏における電流分布をうまく再現した。
• ポンティングフラックスモデル $ \dot{E}_R \sim \Omega^4 \mu^2 / c^3 $ は、$ R_A/R_L $ に依存する補正を加えることで、回転エネルギー損失を推定する強固なフレームワークを提供した。
• 相対論的MHDモデルは、非対称な衝撃構造と異方的エネルギー放出によって、パルサー風ネビュラにおけるプレーム-トーラス（ジェット-トーラス）型の形状を説明できた。
• 若いネビュラの終端衝撃の下流における弱い磁場の起源は未解決であり、風中または衝撃内で磁気ストライプの散逸が最も有力な仮説である。