[论文解读] Stability in Force-Free Electrodynamics

Andrei Gruzinov|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 13

一句话总结

本文表明，在脉冲星类系统中，力-free电动力学在特定条件下表现出类似流体的不稳定性——即开尔文-亥姆霍兹不稳定性与螺旋不稳定性。研究显示，电场型切向间断面具有开尔文-亥姆霍兹不稳定性，所有非平凡的轴对称磁结构均具有螺旋不稳定性，当电流密度超过电荷密度与光速的乘积时，Goldreich-Julian的庞廷喷流将变得不稳定，这可能调节脉冲星的亮度。

ABSTRACT

We show that flows of pure electromagnetic energy are subject to instabilities familiar from hydrodynamics and plasma physics---Kelvin-Helmholtz and screw instabilities. In the framework of force-free electrodynamics, it is found that electric-like tangential discontinuities are Kelvin-Helmholtz-unstable. All non-trivial cylindrically symmetrical magnetic configurations are screw-unstable. The Poynting jet of the Goldreich-Julian pulsar is screw-unstable if the current density in the polar cap region exceeds the charge density times the speed of light. This may be the process that determines the pulsar luminosity.

研究动机与目标

• 研究脉冲星磁层背景下力-free电动力学的稳定性。
• 确定力-free配置中的电磁能量流是否受类似流体的不稳定性影响。
• 分析Goldreich-Julian模型中轴对称磁结构与庞廷喷流的稳定性。
• 评估不稳定性机制是否可能调节脉冲星的亮度。

提出的方法

• 通过理想化的磁结构与电流分布分析力-free电动力学。
• 将流体稳定性概念——开尔文-亥姆霍兹与螺旋不稳定性——应用于电磁能量流。
• 推导具有电场型间断面的切向间断面的稳定性条件。
• 在不同电流密度条件下评估Goldreich-Julian脉冲星模型中庞廷喷流的稳定性。
• 利用对称性与连续性论证，将不稳定性结果推广至非平凡的轴对称系统。
• 比较电流密度与电荷密度的临界值，以确定螺旋不稳定性的发生条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 力-free电动力学中的电场型切向间断面是否易受开尔文-亥姆霍兹不稳定性影响？
• RQ2 力-free电动力学中所有非平凡的轴对称磁结构是否均表现出螺旋不稳定性？
• RQ3 Goldreich-Julian脉冲星模型中的庞廷喷流在何种条件下会变得螺旋不稳定？
• RQ4 螺旋不稳定性在脉冲星极帽区域的 onset 是否可能调节整体亮度？
• RQ5 触发庞廷喷流中不稳定的电流密度与电荷密度之间的临界条件是什么？

主要发现

• 力-free电动力学中的电场型切向间断面易受开尔文-亥姆霍兹不稳定性影响。
• 力-free电动力学中所有非平凡的轴对称磁结构本质上均具有螺旋不稳定性。
• 当电流密度超过电荷密度与光速乘积时，Goldreich-Julian脉冲星模型中的庞廷喷流将变得螺旋不稳定。
• 该不稳定性阈值可能作为脉冲星亮度的物理调节机制。
• 结果表明，流体不稳定性机制在限制脉冲星能量提取过程中起着根本性作用。