[论文解读] Are Crab Nanoshots Schwinger Sparks?

Albert Stebbins, Hojin Yoo|arXiv (Cornell University)|May 24, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用 4

一句话总结

该论文提出，蟹状脉冲星的纳米脉冲是由超强度磁场中间歇性发生的施温格对产生所导致，从而生成短暂而强烈的电子-正电子对爆发。若该机制得到证实，这将是首次在天体物理中观测到施温格效应，对脉冲星磁场结构及快速射电暴的研究具有重要意义。

ABSTRACT

The highest brightness temperature ever observed are from "nanoshots" from the Crab pulsar which we argue could be the signature of bursts of vacuum $e^{\pm}$ pair production. If so this would be the first time the astronomical Schwinger effect has been observed. These "Schwinger sparks" would be an intermittent but extremely powerful, $\sim 10^3 L_{\astrosun}$, 10 PeV $e^{\pm}$ accelerator in the heart of the Crab. These nanosecond duration sparks are generated in a volume less than $1 m^3$ and the existence of such sparks has implications for the small scale structure of the magnetic field of young pulsars such as the Crab. This mechanism may also play a role in producing other enigmatic bright short radio transients such as fast radio bursts.

研究动机与目标

• 研究蟹状脉冲星纳米脉冲的极端高亮度温度是否可由真空电子-正电子对通过施温格机制产生来解释。
• 探讨此类过程对年轻脉冲星（如蟹状脉冲星）磁场小尺度结构的影响。
• 评估该机制是否也能解释其他神秘的短时标射电暂现源，如快速射电暴。
• 在观测到的纳秒量级持续时间和高亮度温度条件下，确定此类爆发的能量与空间约束。

提出的方法

• 作者将纳米脉冲建模为在超过施温格临界场强（约4.4×10^13 G）的磁场中发生的瞬态电子-正电子对产生爆发。
• 应用强电磁场中施温格对产生率公式，估算此类爆发的光度与 timescale。
• 该模型假设辐射来自小于1 m³的体积，与观测到的相干性及亮度温度一致。
• 利用观测到的峰值亮度温度约10^32 K，推断所需的能量输出与场强。
• 将预测的光度（约10^3倍太阳光度）与观测到的纳米脉冲能量学进行比较，以检验一致性。
• 考虑磁场非均匀性在触发间歇性爆发中的作用，与观测到的爆发特性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 蟹状脉冲星纳米脉冲的极端高亮度温度是否可由超强度磁场中的真空施温格对产生来解释？
• RQ2 为产生观测到的纳米脉冲光度与 timescale，所需的磁场强度与辐射体积是多少？
• RQ3 纳米脉冲的间歇性特征是否暗示了与施温格火花形成一致的动态、波动的磁场环境？
• RQ4 该机制是否也能解释其他短时标射电暂现源，如快速射电暴？
• RQ5 该模型对年轻脉冲星磁场的小尺度结构设定了何种约束？

主要发现

• 观测到的纳米脉冲亮度温度超过10^32 K，与来自紧凑源的相干辐射一致。
• 约10^3倍太阳光度的能量输出可通过接近施温格临界场强的磁场中的真空对产生实现。
• 爆发被限制在小于1 m³的体积内，暗示在亚米尺度上存在极端磁场非均匀性。
• 该模型预测为间歇性的纳秒量级爆发，与蟹状脉冲星纳米脉冲的观测 timescale 一致。
• 若其他区域存在类似条件，该机制可解释其他明亮、短时标的射电暂现源，如快速射电暴。
• 此类施温格火花的存在意味着蟹状脉冲星内磁层中的磁场在亚米尺度上高度结构化。