[论文解读] On the corona of magnetars

Yuri Lyubarsky, David Eichler|ArXiv.org|Jun 25, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，磁星持续的硬X射线和软伽马射线辐射源自于超强磁场中通过碰撞激发朗道能级和对产生形成的高温、扩展日冕，而非无碰撞不稳定性。沿磁场线加速的电子通过碰撞过程损失能量，以高能逃逸表面，并通过康普顿化和轫致辐射产生幂律谱（光子指数 1 < α < 2），解释了观测到的高达MeV能量的非热辐射。

ABSTRACT

Slow dissipation of non-potential magnetic fields in the magnetosphere of the magnetar is assumed to accelerate particles to hundreds MeV along the magnetic field lines. We consider interaction of fast particles with the surface of the magnetar. We argue that the collisionless dissipation does not work in the atmosphere of the neutron star because the two-stream instability is stabilized by the inhomogeneity of the atmosphere. Rather, the dominant dissipation mechanism is collisional Landau levelexcitations followed by pair production via the deexcitation gamma-rays ultimately leading to electrons with the energy below the Landau energy. We show that, because of the effects of the superstrong magnetic field, these electrons could emerge from the surface carrying most of the original energy so that a hot corona arises with the temperature of 1 - 2 MeV. This extended corona is better suited than a thin atmosphere to convert most of the primary beam energy to non-thermal radiation and, as we show, most of the coronal energy release is radiated away in the hard X-ray and the soft gamma-ray bands by Comptonization and bremsstrahlung. The radiation spectrum is a power-law with the photon index $1

研究动机与目标

• 解释软伽马重复暴和异常X射线脉冲星中观测到的持续非热硬X射线和软伽马射线辐射的起源。
• 解决无碰撞双流不稳定性模型的不一致性，该模型仅能解释约25%的观测硬 band 辐亮度。
• 研究在超强磁场中碰撞过程是否能产生一个高温、扩展的日冕，使其能够辐射大部分硬 band 的束流能量。
• 评估朗道能级激发和对产生在高海拔处电子逃逸和能量沉积中的作用。

提出的方法

• 分析粒子束在超强磁场（B ~ 10^15 G）下的中子星大气中的相互作用，重点研究碰撞耗散机制。
• 建立电子通过碰撞激发朗道能级、随后退激发产生伽马射线辐射和对产生的能量损失模型。
• 使用相对论性输运方程描述康普顿化，结合相对论不变量和散射的角依赖性。
• 通过适用于磁化等离子体的修正Kompaneets型方程推导稳态光子分布函数。
• 求解稳态下的光子谱输运方程，表明由于散射核的反对称性，存在 α > 1 的幂律解。
• 应用Fredholm选择定理，证明当 α = 1 时存在非平凡解，表明硬幂律谱的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁星大气中，碰撞过程能否产生一个高温日冕，使其能够辐射观测到的硬X射线和软伽马射线辐射？
• RQ2 为何双流不稳定性在中子星非均匀大气中失效，而何种替代耗散机制占主导地位？
• RQ3 超强磁场如何改变电子动力学和能量损失，使高能电子能够逃逸并形成日冕？
• RQ4 非热辐射的谱指数由什么决定，能否重现观测到的 1 < α < 2 的幂律谱？
• RQ5 为何观测辐射延伸至MeV波段，这如何挑战基于共振散射的先前模型？

主要发现

• 双流不稳定性在非均匀中子星大气中被抑制，使无碰撞耗散作为主要机制无效。
• 碰撞激发朗道能级及后续的对产生占主导能量损失，使电子能够保持高能并逃逸表面。
• 能量低于朗道能级能量（ε_B ≈ 1–2 MeV）的电子可向上逃逸，形成温度约为 T ≈ 1–2 MeV 的高温日冕。
• 日冕中的康普顿化和轫致辐射产生非热幂律谱，光子指数为 1 < α < 2，与观测一致。
• 该模型解释了大部分束流能量在硬X射线和软伽马射线波段辐射的事实，解决了先前模型的亮度不一致问题。
• 与薄大气相比，扩展日冕更有利于将束流能量转化为可观测的非热辐射，解释了持续的MeV波段辐射。