[论文解读] Magnetospheric "anti-glitches" in magnetars

Maxim Lyutikov|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 12

一句话总结

该论文提出，磁星1E 2259+586中的‘反跳变’——表现为X射线耀发期间的快速自转减慢——是由于磁层中极小部分（约百分之几）的磁场线暂时打开，导致瞬时扭矩增加所致。这种磁层重连现象类似于日冕物质抛射（CME），可解释观测到的自转减慢、谱硬化和通量增加，而无需依赖内部星壳动力学，为磁星的时序不规则性提供统一的磁层起源。

ABSTRACT

We attribute the rapid spindown of magnetar 1E 2259+586 observed by Archibald et al. (2013), termed the "anti-glitch", to partial opening of the magnetosphere during the X-ray burst, followed by changes of the structure of the closed field line region. To account for the observed spin decrease during the X- ray flare all that is needed is the transient opening, for just one period, of a relatively small fraction of the magnetosphere, of the order of only few percent. More generally, we argue that in magnetars all timing irregularities have magnetospheric origin and are induced either by (i) the fluctuations in the current structure of the magnetosphere (similar to the long term torque variations in the rotationally powered pulsars); or, specifically to magnetars, by (ii) opening of a fraction of the magnetosphere during bursts and flares - the latter events are always accompanied by rapid spindown, an "anti-glitch". Slow rotational motion of the neutron star crust, driven by crustal magnetic fields, leads beyond some twist limit to explosive instability of the external magnetic fields and transient opening of a large magnetic flux in a CME-type event, the post-flares increase of magnetospheric currents accompanied by enhanced X-luminosity and spindown rate, changing profiles, as well as spectral hardening, all in agreement with the magnetospheric model of torque fluctuations.

研究动机与目标

• 解释在X射线耀发后观测到的磁星1E 2259+586中快速自转减慢（反跳变）现象，该现象与基于中子星内部动力学的典型跳变模型相矛盾。
• 确立磁星的时序不规则性主要源于磁层，从而将其与旋转能量驱动脉冲星中的跳变区分开。
• 证明耀发期间磁层的瞬时打开可产生可观测的自转减慢，而无需涉及大规模内部结构变化。
• 将观测到的X射线亮度增加、谱硬化和脉冲轮廓变化与磁层电流波动及磁场线重连联系起来。
• 在单一磁层模型下统一解释磁星时序异常行为，区分长期扭矩变化与瞬时反跳变事件。

提出的方法

• 将磁层建模为具有扭曲磁场线的无体力、载流结构，采用Lyutikov（2006）的自相似解。
• 分析耀发期间瞬时磁场线打开的影响，其中仅一小部分（~百分之几）磁层在一次自转周期内被打开，从而产生净扭矩。
• 应用强磁化等离子体中磁层重连与CME类喷发的概念，类比于太阳日冕物质抛射。
• 利用共振康普顿散射解释谱硬化，将光子能量增益与磁层中的电流密度和粒子速度联系起来。
• 将观测到的X射线亮度、自转减慢率和谱变硬与磁层电流强度及磁场线扩展相关联。
• 对比磁星与旋转能量驱动脉冲星的时序行为，以区分内部（跳变）与磁层（反跳变）机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 X射线耀发后磁星1E 2259+586中快速自转减慢（反跳变）的原因是什么？为何其符号与典型脉冲星跳变相反？
• RQ2 仅瞬时打开磁层中极小部分（如百分之几）是否足以解释观测到的自转减慢，而无需引入中子星内部动力学？
• RQ3 磁层电流结构的变化如何解释X射线亮度增加、谱硬化和脉冲轮廓演化之间的相关性？
• RQ4 为何磁星的时序不规则性主要与耀发相关，而此类事件在旋转能量驱动脉冲星中却很少见？
• RQ5 磁层电流波动与磁场线重连在多大程度上可同时解释磁星中的长期扭矩变化与瞬时反跳变？

主要发现

• 1E 2259+586中的反跳变（Δν ~ 10⁻⁷ Hz，持续约两周）可通过仅约百分之几的磁层在一次自转周期内瞬时打开来解释。
• 耀发后观测到的谱硬化与X射线亮度增加，可自然地由增强的磁层电流和热光子的共振康普顿散射解释。
• 观测到的X射线亮度与自转减慢率之间的相关性支持磁层模型，即电流强度越大，扭矩越强，能量耗散也越显著。
• 该模型预测，耀发期间磁层的瞬时打开会产生反跳变，而长期电流波动则产生类似于旋转能量驱动脉冲星中观测到的扭矩变化。
• 某些时序事件中缺乏显著辐射异常，表明仅闭合磁力线电流结构的变化（无需完全打开）也可引发时序不规则性。
• 该模型将反跳变解释为磁层事件，而非内部跳变，从而解决了像1E 2259+586这样的慢速磁星中缺乏清晰内部成分的问题。