[論文レビュー] Ultrahigh Energy Activity in Giant Magnetar Outbursts

David Eichler|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2005

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、記録上最も明るい銀河外フラッシュである2004年の磁星SGR 1806-20の巨大フレアから生じる超高エネルギー（UHE）放射線—中性子、ニュートリノ、光子、宇宙線—の可能性を調査する。フレアの膨大なエネルギーに加え、電波後光から推定されるバリオンの噴出が、UHE粒子生成の好ましい候補を示しており、相対論的流出でローレンツ因子≥10^9が発生すれば、ニュートリノおよび光子の検出可能なフラックスが予想される。

ABSTRACT

The recent superflare of 27 December 2004 from the magnetar SGR 1806-20 was the brightest extrasolar flash ever recorded in the modern era. The chances for seeing exotic ultrahigh energy (UHE) radiation - neutrons, neutrinos, gamma rays and charged cosmic rays - from it are far better from an energetic point of view than from cosmological gamma ray bursts (GRBs). The chances for detecting the various components are discussed in light of recent data from the 27 December event.

研究の動機と目的

• 2004年の磁星SGR 1806-20の巨大フレアによって生成される超高エネルギー（UHE）粒子—中性子、ニュートリノ、光子、宇宙線—の検出可能性を評価すること。
• フレアの極めて高い全放射度と、電波後光から推定されるバリオン噴出が、検出可能なUHE放射を生成できるかどうかを評価すること。
• 観測されたフレアの性質に基づいて、実験者にUHE成分の予想フラックスレベルと検出可能性に関する指針を提供すること。

提案手法

• 2004年12月27日におけるSGR 1806-20のフレアの観測データ（全放射度、継続時間、電波後光の拡大）を用い、噴出内のエネルギー分布を制約する。
• 磁星磁気圏における磁気再結合の理論的モデルを適用し、エネルギーのうち相対論的バリオン、電子・陽電子対、光子にどれほど分配されるかを推定する。
• ガンマ線光学厚さ半径の式を用いて粒子の脱出条件を推定する：$ r_{\rm γ} = 2.8 \times 10^{10} \frac{L_{51}}{\Gamma_2^4} \ \text{cm} $、ここで$ L_{51} $ は10^51 erg/s単位のガンマ線全放射度を表す。
• UHE粒子の検出閾値を評価する：中性子は$ \Gamma \geq 10^9 $を要し、ニュートリノは1–100 TeVで最良に検出可能であり、10^14 eV以上の光子はアースシャワーアレイによって観測可能である可能性がある。
• 電波後光の質量（>10^{24} g）と拡大速度（約0.3c）からの制約を検討し、顕著な準相対論的バリオン噴出が生じていることを示す。
• UHE宇宙線生成の可能性を評価し、エネルギーが10^20 eVに達するプロトンが生成可能であるが、到着は数千年にわたって分散する可能性があると指摘する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SGR 1806-20のフレアエネルギーのうち、どれくらいの割合が超相対論的バリオンや対に分配され、電波後光観測によって制約可能か？
• RQ2 ローレンツ因子≥10^9を有するUHE中性子がフレアから生成され、検出可能か、必要な条件下で成立するか？
• RQ3 フレアからのUHEニュートリノの予想フラックスは何か？ 既存または計画中の検出器で検出可能か？
• RQ4 超高エネルギー光子（≥10^14 eV）が光子-光子対生成による吸収を回避して源領域から脱出できる条件は何か？
• RQ5 電波後光の観測的性質—質量と拡大速度—は、噴出物の全エネルギーと組成をどの程度制約するか？

主な発見

• 2004年12月27日のSGR 1806-20のフレアは、$ L_{51} \sim 10^{-4} $ のピーク全放射度を示し、記録上最も明るい銀河外フラッシュである。
• 電波後光データから、質量が$ >10^{24} $ gのバリオンシェルが存在し、拡大速度が約0.3cであることが示唆され、フレアエネルギーの少なくとも1％が準相対論的バリオンに分配されていると示唆される。
• データは、フレアエネルギーの最大10％が超相対論的バリオンに分配可能であり、流出モデルに応じてローレンツ因子が1.1から$ 10^{14} $の範囲にわたることを許容する。
• 流出が$ \Gamma \geq 10^9 $を有する場合、UHE中性子は検出可能であるとされ、バリオンが乏しい再結合領域ではそれが現実的である。
• 10^14 eV以上のUHE光子が脱出可能となるためには、ローレンツ因子$ \Gamma \gtrsim 10^2 $である必要があり、磁気圏再結合地点で達成可能である。
• フレアからのニュートリノフラックスは、AMANDAのような既存の氷下ニュートリノ検出器で検出可能であると推定され、バリオン噴出の証拠と地球での大きなフルエンスがその根拠である。