[论文解读] Magnetars and the Chiral Plasma Instabilities

Akira Ohnishi, Naoki Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 17

一句话总结

本文提出，核心塌缩超新星期间，由于宇称破坏的弱过程导致电子手征性不对称，引发手征性等离子体不稳定性，可在磁星核心产生并稳定约10^18 G的磁场。该不稳定性将手征性不对称转化为大磁螺旋度，从而确保磁场长期稳定，提供了一种新颖的、基于微观机制的磁星磁场生成方式，无需引入奇异物质相。

ABSTRACT

We propose a possible new mechanism for a strong and stable magnetic field of compact stars due to an instability in the presence of a chirality imbalance of electrons---the chiral plasma instability. A large chirality imbalance of electrons inevitably occurs associated with the parity-violating weak process during core collapse of supernovae. We estimate the maximal magnetic field due to this instability to be of order 10^{18} G at the core. This mechanism naturally generates a large magnetic helicity from the chiral asymmetry, which ensures the stability of the large magnetic field.

研究动机与目标

• 解释磁星中超强、稳定磁场的起源，该现象无法用传统化石场或发电机模型解释。
• 解决纯偶极磁场在致密星中通常随时间衰减的不稳定性问题。
• 识别一种能自然产生大磁螺旋度的微观机制，而磁螺旋度是磁场稳定的关键因素。
• 证明超新星核心塌缩期间，由弱相互作用引起电子手征性不对称，可驱动一种强大且相对论性的等离子体不稳定性。
• 表明该机制无需依赖奇异相（如夸克物质或铁磁性核物质）即可运行。

提出的方法

• 使用手征性动力学理论和手征性电磁效应建模手征性等离子体不稳定性，其中手征性化学势μ₅驱动与磁场成正比的电流。
• 通过迭代应用安培环路定律，表明当磁场波长λ超过(αμ₅)⁻¹时，微小初始磁场将呈指数增长，表明不稳定性出现。
• 利用反常关系∂ₜj⁵ + ∇·j⁵ = (2α/π)E·B，将手征性电荷N₅与磁螺旋度H联系起来，表明H近似守恒。
• 通过手征性不对称的能量转换估算最大磁场强度，假设不稳定性达到饱和。
• 推导出饱和时的磁螺旋度为ΔH ≈ −(1/α)VΛ³，表明大螺旋度可自然产生。
• 评估电子质量与有限电导率的影响，结论是其在不稳定性 timescale 上影响较小。

实验结果

研究问题

• RQ1 手征性等离子体不稳定性能否产生足够强的磁场以解释磁星表面约10^15 G的磁场？
• RQ2 手征性等离子体不稳定性如何将手征性不对称转化为磁螺旋度？为何这对磁场稳定性至关重要？
• RQ3 在致密星核心中，该不稳定性可达到的最大磁场强度是多少？
• RQ4 该机制是否独立于夸克物质或铁磁性核物质等奇异物质相？
• RQ5 该不稳定性对电子质量与有限电导率等耗散效应的鲁棒性如何？

主要发现

• 手征性等离子体不稳定性可在磁星核心产生约10^18 G的磁场，足以解释表面约10^15 G的磁场。
• 当磁场波长λ超过(αμ₅)⁻¹时，不稳定性呈指数增长，表明存在不稳定性发生的阈值。
• 磁螺旋度与手征性电荷N₅成正比生成，ΔH ≈ −(1/α)VΛ³，从而确保磁场长期稳定。
• 该机制通过手征性反常在微观层面产生磁螺旋度，是目前磁星中唯一已知的此类机制。
• 电子质量与有限电导率的影响在不稳定性 timescale 上可忽略，表明磁场放大过程具有鲁棒性。
• 该机制仅依赖于核心塌缩期间的宇称破坏弱过程，无需奇异相或初始螺旋度。