[论文解读] On the physics of cold MHD winds from oblique rotators

S. V. Bogovalov|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用 41

一句话总结

本文表明，具有分裂单极磁场的倾斜旋转体所产生的冷MHD风，其动力学特性与轴对称旋转体完全相同，表明旋转损失和电浆加速机制与磁倾角无关。关键发现是，射电脉冲星很可能是慢速旋转体（σ₀/U₀² < 1），喷出以庞尼米耶通量主导的风，且无法通过理想MHD机制实现有效加速，这意味着耗散过程在脉冲星风中能量转换过程中至关重要。

ABSTRACT

I show that the self-consistent solution of the problem of MHD plasma flow in magnetosphere of an oblique rotator with an initially split-monopole magnetic field is reduced to the solution of the similar problem for the axisymmetric rotator. All properties of the MHD cold plasma flows from the axisymmetric rotators with the initially split-monopole magnetic field are valid for the oblique rotators as well. Rotational losses of the oblique rotator do not depend on the inclination angle and there is no temporal evolution of this angle. Self-consistent analytical and numerical solutions for the axisymmetric plasma flows obtained earlier show that the rotators can be divided on fast rotators ($σ_0/U_0^2 &gt; 1$) and slow rotators ($σ_0/U_0^2 &lt; 1$), where $σ_0$ is the ratio of the Poynting flux to the matter energy flux in the flow at the equator on the surface of the star, $U_0 = γ_0v_0/c$, $v_0$ and $γ_0$ are the initial velocity and Lorentz-factor of the plasma. The self-consistent approximate analytical solution for the plasma flow from the oblique rotator is obtained under the condition $σ_0/U_0^2 \ll 1$. Implications of these results for radio pulsars are discussed. In particular, I argue that all radio pulsars are apparently the slow rotators ejecting the Poynting dominated relativistic wind.

研究动机与目标

• 确定磁偶极矩与旋转轴发生偏移的倾斜旋转体，其MHD风动力学是否与轴对称旋转体存在差异。
• 评估倾角是否影响相对论性风中的旋转能量损失或电浆加速。
• 评估在真实参数条件下，理想MHD机制是否能有效加速脉冲星磁层中的电浆。
• 探讨这些发现对射电脉冲星风能量学的影响，特别是蟹状星云等源中观测到的庞尼米耶通量主导现象。

提出的方法

• 问题被简化为求解具有初始分裂单极磁场的倾斜旋转体的自洽MHD方程，与轴对称情况类似。
• 将轴对称旋转体的解析与数值解法应用于倾斜旋转体，假设为理想MHD和冷等离子体流。
• 使用比值σ₀/U₀²对旋转体进行分类，其中σ₀/U₀² > 1为快速旋转体，σ₀/U₀² < 1为慢速旋转体，U₀ = γ₀v₀/c，σ₀表示在恒星赤道处的庞尼米耶通量与动能通量之比。
• 在σ₀/U₀² ≪ 1条件下，推导出自洽的近似解析解，适用于慢速旋转体。
• 模型假设风中无耗散，且电浆流为定常且相对论性。
• 通过γ₀、H₀和I = 10⁴⁵ g·cm²的估计值，将结果与EGRET脉冲星（如蟹状星云、Vela、Geminga）的观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转体中磁偶极矩的倾斜是否显著改变具有分裂单极磁场的冷MHD电浆风的动力学行为，与轴对称构型相比？
• RQ2 在倾斜旋转体中，理想MHD机制是否能有效加速相对论性电浆，以解释射电脉冲星中观测到的风特性？
• RQ3 倾角在决定旋转能量损失和脉冲星风中电浆准直化方面起什么作用？
• RQ4 尽管在恒星表面初始电浆为庞尼米耶通量主导，为何在大距离处风中仍保持庞尼米耶通量主导？
• RQ5 在理想MHD无法实现所需能量转换的前提下，风中耗散过程在何种条件下可将庞尼米耶通量转化为动能？

主要发现

• 具有分裂单极磁场的倾斜旋转体所产生的冷MHD风的动力学特性在数学上与轴对称旋转体完全相同，表明电浆流动行为无定性差异。
• 倾斜旋转体的旋转能量损失与倾角无关，且倾角不随时间演化。
• 所有研究的射电脉冲星（蟹状星云、Vela、Geminga、PSR 1706-44、PSR 1509-58、PSR 1951+32、PSR 1055-55）在U₀ ≥ 200时均被归类为慢速旋转体（σ₀/U₀² < 1）。
• 对于这些脉冲星，风在源处为庞尼米耶通量主导（σ₀ ≈ 1000），但必须演化至大距离处σ ≈ 0.003，才能与星云观测结果一致。
• 未发现通过理想MHD机制实现有效电浆加速——无论是磁-离心力还是光速圆柱附近环向磁场梯度均无法提供足够加速。
• 结果表明，仅非理想MHD过程（如湍流、反常电导率或激波）可将庞尼米耶通量转化为动能，因理想MHD本身无法解释所需的能量转换。