[论文解读] Polarization in Pulsar Wind Nebulae

D. Volpi, L. Del Zanna+2 more|ArXiv.org|Mar 24, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 22被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的计算框架，利用相对论磁流体动力学（RMHD）模拟，用于在脉冲星风星云（PWNe）中模拟和预测光学与X射线偏振。通过建模同步辐射发射以及相对论效应（如多普勒增强和偏振角摆动），该方法再现了蟹状星云的喷流-环状结构和偏振特征，表明偏振图可约束整体流动速度和磁场几何结构，包括纵向分量。

ABSTRACT

The main goal of our present work is to provide, for the first time, a simple computational tool that can be used to compute the brightness, the spectral index, the polarization, the time variability and the spectrum of the non-thermal light (both synchrotron and inverse Compton, IC) associated with the plasma dynamics resulting from given relativistic magnetohydrodynamics (RMHD) simulations. The proposed method is quite general, and can be applied to any scheme for RMHD and to all non-thermal emitting sources, e.g. pulsar wind nebulae (PWNe), and in particular to the Crab Nebula (CN) as in the present proceeding. Here only the linear optical and X-ray polarization that characterizes the PWNe synchrotron emission is analyzed in order to infer information on the inner bulk flow structure, to provide a direct investigation of the magnetic field configuration, in particular the presence and the strength of a poloidal component, and to understand the origin of some emitting features, such as the knot, whose origins are still uncertain. The inverse Compton radiation is examined to disentangle the different contributions to radiation from the magnetic field and the particle energy distribution function, and to search for a possible hadronic component in the emitting PWN, and thus for the presence of ions in the wind. If hadronic radiation was found in a PWN, young supernova remnants would provide a natural birth-place of the cosmic-rays (CRs) up to the so-called knee in the CR spectrum.

研究动机与目标

• 开发一种通用的计算工具，用于预测RMHD模拟的等离子体动力学在PWNe中产生的非热辐射，包括偏振。
• 研究光学与X射线波段中的线性偏振如何揭示磁场构型，特别是纵向分量的存在与强度。
• 通过偏振特征理解蟹状星云中观测到的中心结与弧状结构的起源。
• 为未来与Integral/IBIS等任务的高分辨率偏振观测结果进行对比提供支持。
• 评估多普勒增强和偏振角摆动等相对论效应在塑造观测到的偏振图案中的作用。

提出的方法

• 该方法使用二维轴对称RMHD激波捕捉代码模拟等离子体动力学，包括绝热损失和同步辐射损失下的粒子能量演化。
• 采用相对论公式计算同步辐射发射率，其中包含多普勒因子 $D$、共动磁场 $\vec{B}'$ 和粒子能量 $\epsilon_{\infty}$。
• 发射系数 $j_{\nu}$ 通过幂律粒子分布和截止频率 $\nu_{\infty} = D \cdot 3e/(4\pi m c) \cdot |\vec{B}' \times \vec{n}'| \epsilon_{\infty}^2$ 计算。
• 通过视线积分 $I_{\nu} = \int j_{\nu} \, dx$ 计算表面亮度，从而生成亮度与偏振的合成图。
• 从发射率推导斯托克斯参数和偏振度 $\Pi_{\nu}$，并将偏振方向相对于磁场和视线方向进行映射。
• 该模型包含相对论效应，如偏振角摆动，导致环状体前部与后部的偏振矢量旋转不对称。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用RMHD模拟预测PWNe中同步辐射的偏振特性？
• RQ2 从观测到的偏振图案中可提取关于整体流动速度与磁场几何结构的哪些信息？
• RQ3 多普勒增强和偏振角摆动等相对论效应如何影响观测到的偏振方向与偏振度？
• RQ4 合成偏振图能否再现蟹状星云中如中心结与弧状结构等细尺度特征？
• RQ5 偏振分数与方向在多大程度上可区分环向、纵向或无序的磁场分量？

主要发现

• 对于runA的合成光学与X射线图，成功再现了喷流-环状结构以及随频率升高而引起的尺寸减小现象，这是由于同步辐射烧蚀所致。
• 在极轴方向和环状体前侧，偏振度 $\Pi_{\nu}$ 最高可达70%，此处磁场方向与视线方向正交。
• 在外围区域发生去偏振，因具有相反符号的磁场分量沿视线方向投影。
• 偏振角摆动导致偏振矢量偏离与磁场的正交关系，尤其在相对论区域（$v \gtrsim 0.5c$）更为显著，在速度为 $0.8c$ 时达到 $90^\circ$ 的摆动。
• 模型预测在光学与X射线波段的平均偏振度约为 $18\%$，与Weisskopf观测到的 $\approx 20\%$ 一致。
• 中心结状特征形成于扁平终止激波下游的尖点区域，表明激波几何结构与发射特征之间存在关联。