[论文解读] Electrodynamics and Radiation from Rotating Neutron Star Magnetospheres

J. Pétri|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 82被引用 22

一句话总结

本文研究了旋转中子星磁层中的电动力学与辐射，强调了相对论性共转效应和辐射机制。结果表明，射电偏振角的偏移约束了辐射高度，并支持在完整电磁场中考虑辐射反作用力所计算出的粒子轨迹，从而否定了更简单的共转模型。

ABSTRACT

Neutron stars are compact objects rotating at high speed, up to a substantial fraction of the speed of light (up to 20% for millisecond pulsars) and possessing ultra-strong electromagnetic fields (close to and sometimes above the quantum critical field of 4.4 × 10 9 T ). Moreover, due to copious e ± pair creation within the magnetosphere, the relativistic plasma surrounding the star is forced into corotation up to the light cylinder where the corotation speed reaches the speed of light. The neutron star electromagnetic activity is powered by its rotation which becomes relativistic in the neighborhood of this light cylinder. These objects naturally induce relativistic rotation on macroscopic scales about several thousands of kilometers, a crucial ingredient to trigger the central engine as observed on Earth. In this paper, we elucidate some of the salient features of this corotating plasma subject to efficient particle acceleration and radiation, emphasizing several problems and limitations concerning current theories of neutron star magnetospheres. Relativistic rotation in these systems is indirectly probed by the radiation produced within the magnetosphere. Depending on the underlying assumptions about particle motion and radiation mechanisms, different signatures on their light curves, spectra, pulse profiles and polarization angles are expected in their broadband electromagnetic emission. We show that these measurements put stringent constraints on the way to describe particle electrodynamics in a rotating neutron star magnetosphere.

研究动机与目标

• 理解相对论性旋转中子星磁层中的电动力学。
• 解决当前脉冲星磁层中粒子运动与辐射模型之间的不一致性。
• 利用观测约束——特别是射电脉冲轮廓和偏振数据——来优化粒子轨迹的理论模型。
• 评估磁层模型中共转假设的有效性，并评估辐射反作用力的作用。

提出的方法

• 使用具有正交基向量和洛伦兹变换的相对论性旋转参考系形式，建立惯性系与旋转系之间电磁场的关系。
• 在旋转参考系中应用麦克斯韦方程和场变换，通过洛伦兹提升推导电场和磁场的变换关系。
• 通过完整电磁场（包括辐射反作用力）数值计算粒子轨迹。
• 分析相对论性粒子产生的辐射机制，如曲率辐射、同步辐射和逆康普顿辐射。
• 利用观测到的射电脉冲轮廓和偏振角偏移（例如，∆φ ≈ 4r/rL）作为辐射高度和磁力线几何结构的约束条件。
• 评估替代模型：仅共转模型、磁力线拖曳模型以及自洽的辐射反作用力轨迹模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 相对论性旋转与电磁场变换如何影响中子星磁层中的粒子运动？
• RQ2 为何观测到的射电偏振角偏移与简单共转模型相矛盾？
• RQ3 辐射反作用力在塑造脉冲星磁层中粒子轨迹与辐射方面起什么作用？
• RQ4 多极或非中心磁偶极场如何影响光速半径外的辐射与自转损耗光度？
• RQ5 来自脉冲轮廓和偏振的观测约束能否唯一确定正确的粒子轨迹模型？

主要发现

• 观测到的射电偏振角偏移∆φ ≈ 4r/rL 最佳解释为：光子沿在惯性系中被拖入共转的磁力线发射，而非共转系中的光行差效应。
• 仅共转模型无法再现脉冲轮廓中心与偏振角拐点之间观测到的时间延迟。
• 在完整电磁场中考虑辐射反作用力计算出的粒子轨迹，提供了最自洽且符合观测的物理情景。
• 在光速半径外，多极磁成分迅速衰减（衰减为1/rℓ+2），使得偶极场占主导，对整体磁层结构的影响减小。
• 在光速半径外，广义相对论效应仍较弱，因此对大多数脉冲星系统而言，狭义相对论模型仍保持有效。
• 在准静态磁层与相对论性风之间的过渡区，由于光速半径外缺乏物理解释的旋转参考系，其物理描述仍不充分。