[論文レビュー] Temperature distribution in magnetized neutron star crusts. II. The effect of a strong toroidal component

U. Geppert, M. Küker+1 more|ArXiv.org|Dec 21, 2005

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 41被引用数 52

ひとこと要約

本稿は、中性子星の皮膚における強いトロイダル磁場成分が、異方的熱伝導のため、表面温度分布を歪め、一極のスポットが反対側の極よりも暖かくなるような非対称な加熱を引き起こす仕組みを調査している。この磁場構造が、RXJ1856-3754のX線および光学スペクトルを説明できることを示しており、赤道帯域が光学放射を支配し、極領域がX線放射を駆動している。これにより、観測された光曲線とスペクトルから内部磁場構造を推定する手法が得られる。

ABSTRACT

We continue the study of the effects of a strong magnetic field on the temperature distribution in the crust of a magnetized neutron star (NS) and its impact on the observable surface temperature. Extending the approach initiated in Geppert et al.(2004), we consider more complex and, hence, more realistic, magnetic field structures but still restrict ourselves to axisymmetric configurations. We put special emphasis on the heat blanketing effect of a toroidal field component. We show that asymmetric temperature distributions can occur and a crustal field consisting of dipolar poloidal and toroidal components will cause one polar spot to be larger than the opposing one. These two warm regions can be separated by an extended cold equatorial belt. We present an internal magnetic field structure which can explain both the X-ray and optical spectra of the isolated NS RXJ 1856-3754. We investigate the effects of the resulting surface temperature profiles on the observable lightcurve which an isolated thermally emitting NS would produce for different field geometries. The lightcurves will be both qualitatively (deviations from sinusoidal shape) and quantitatively (larger pulsed fraction for the same observational geometry) different from those of a NS with an isothermal crust. This opens the possibility to determine the interna} magnetic field strengths and structures in NSs by modeling their X-ray lightcurves and spectra. The striking similarities of our model calculations with the observed spectra and pulse profiles of isolated thermally emitting NSs is an indication for the existence of strong magnetic field components maintained by crustal currents.

研究の動機と目的

• 強いトロイダル磁場成分が中性子星皮膚内の熱輸送および表面温度分布に与える影響を理解すること。
• 非等温皮膚モデルを用いて、孤立中性子星RXJ1856-3754の観測された多波長放射（X線および光学）を説明すること。
• 特にポロイダルおよびトロイダル成分を含む複雑な磁場幾何学が、パルス波形および観測放射に与える影響を調査すること。
• X線光曲線およびスペクトルエネルギー分布をモデル化することで、中性子星内部の磁場構造を推定する手法を確立すること。
• 熱放射する中性子星における観測された温度非対称性が、強力な内部トロイダル磁場を維持する皮膚内電流に起因するかどうかを検証すること。

提案手法

• 量子的および古典的磁場効果から導かれる異方的熱伝導率テンソルを用いて、強い磁場下における軸対称中性子星皮膚内の熱伝導を数値的にモデル化する。
• 変動する振幅および半径分布を有するポロイダルおよびトロイダル磁場成分を組み込み、皮膚内におけるトロイダル成分の最大値が異なる深さに位置する場合を含む。
• PY01およびPYCG03の更新された輸送係数および状態方程式を用いて、Greenstein & Hartke (1983) の形式を皮膚熱輸送に拡張する。
• 軸対称配置における2次元（r, θ）での熱伝導方程式を解き、表面温度分布を計算する。表面温度に影響を与える薄い断熱被膜の効果も含む。
• 一般相対性理論による光線の曲がりおよび距離依存のフラックススケーリングを考慮して、表面全体の黒体放射を統合し、観測可能なフラックスおよびパルス波形を計算する。
• RXJ1856-3754の観測データに合成スペクトルおよび光曲線をフィットさせる。X線および光学フラックスに一致させるために、星の半径、距離、および銀河間吸収を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いトロイダル磁場成分が、純粋にポロイダル磁場と比較して、中性子星皮膚の表面温度分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ポロイダルおよびトロイダル成分を併せ持つ磁場構造が、同時にRXJ1856-3754の観測されたX線および光学フラックスを再現できるか？
• RQ3 異方的熱伝導による非一様な皮膚表面温度を持つ熱放射中性子星の光曲線形状およびパルス分率に、どのような観測的シグネチャーが現れるか？
• RQ4 孤立中性子星における観測された表面温度非対称性が、内部磁場幾何学および強度をどの程度まで制限できるか？
• RQ5 皮膚内における最大トロイダル磁場成分の深さが、結果としての表面温度プロファイルおよび観測放射にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 強いトロイダル磁場成分は、磁場線に沿った熱伝導が強化されることにより、一極が反対側の極よりも顕著に暖かいような非対称な表面温度分布を引き起こす。
• モデルは、二つの暖かい極領域を隔てる冷たい赤道帯域を生成し、これによりRXJ1856-3754の観測されたX線（極領域）と光学（赤道帯域）放射の分離を説明できる。
• RXJ1856-3754に対して、トロイダル磁場強度 $ B^{ ext{tor}}_0 = 3 imes 10^{15} $ G およびコア磁場 $ 7.5 imes 10^{12} $ G の最良適合モデルが、観測者と回転軸が一致する条件下でX線および光学スペクトルの両方を再現する。
• 予測される最大表面温度は $ T_{ ext{max}}^{ ext{infty}} = 8.54 imes 10^5 $ K であり、有効温度は $ T_{ ext{eff}}^{ ext{infty}} = 4.62 imes 10^5 $ K である。これは122 pcの距離での観測と整合的である。
• 得られた光曲線は正弦波形から著しく逸脱しており、同じ観測幾何学においても等温皮膚の場合よりも高いパルス分率を示す。
• RXJ1856-3754を含む孤立した熱放射中性子星の観測スペクトルおよびパルス波形は、強い内部トロイダル磁場を持つモデルとよく一致しており、このような磁場が皮膚内電流によって維持されている可能性を示唆している。