[论文解读] Temperature distribution in magnetized neutron star crusts. II. The effect of a strong toroidal component

U. Geppert, M. Küker+1 more|ArXiv.org|Dec 21, 2005

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 41被引用 52

一句话总结

本文研究了中子星地壳中强环向磁场分量如何扭曲表面温度分布，导致非对称加热——例如一个极点热于对侧极点——这是由于热传导的各向异性所致。研究证明，此类磁场结构可解释RXJ 1856-3754的X射线和光学谱，其中赤道带主导光学辐射，极区驱动X射线通量，从而为从观测到的光变曲线和光谱推断内部磁场几何结构提供了一种方法。

ABSTRACT

We continue the study of the effects of a strong magnetic field on the temperature distribution in the crust of a magnetized neutron star (NS) and its impact on the observable surface temperature. Extending the approach initiated in Geppert et al.(2004), we consider more complex and, hence, more realistic, magnetic field structures but still restrict ourselves to axisymmetric configurations. We put special emphasis on the heat blanketing effect of a toroidal field component. We show that asymmetric temperature distributions can occur and a crustal field consisting of dipolar poloidal and toroidal components will cause one polar spot to be larger than the opposing one. These two warm regions can be separated by an extended cold equatorial belt. We present an internal magnetic field structure which can explain both the X-ray and optical spectra of the isolated NS RXJ 1856-3754. We investigate the effects of the resulting surface temperature profiles on the observable lightcurve which an isolated thermally emitting NS would produce for different field geometries. The lightcurves will be both qualitatively (deviations from sinusoidal shape) and quantitatively (larger pulsed fraction for the same observational geometry) different from those of a NS with an isothermal crust. This opens the possibility to determine the interna} magnetic field strengths and structures in NSs by modeling their X-ray lightcurves and spectra. The striking similarities of our model calculations with the observed spectra and pulse profiles of isolated thermally emitting NSs is an indication for the existence of strong magnetic field components maintained by crustal currents.

研究动机与目标

• 理解中子星地壳中强环向磁场分量如何影响热输运和表面温度分布。
• 利用非等温地壳模型解释孤立中子星RXJ1856-3754的观测多波段辐射（X射线和光学）。
• 研究复杂磁场几何结构——特别是偶极和环向分量——如何改变脉动光变曲线和可观测通量。
• 建立一种通过建模X射线光变曲线和光谱能量分布来推断中子星内部磁场结构的方法。
• 检验热辐射中子星中观测到的温度不对称性是否可归因于地壳电流维持的强内部环向磁场。

提出的方法

• 采用强磁场下各向异性热导率张量（源自量子与经典磁场效应）的轴对称中子星地壳热传导数值建模。
• 引入具有可变振幅和径向分布的偶极与环向磁场分量，包括在地壳不同深度处具有局部最大值的环向分量。
• 采用Green斯坦与哈特克（1983）形式化方法并扩展至地壳热输运，更新了输运系数和PY01与PYCG03的方程状态。
• 通过求解轴对称构型下(r, θ)二维的热传导方程，模拟表面温度分布，包括薄绝热包层对观测温度的影响。
• 通过在表面积分黑体辐射计算可观测通量和脉动光变曲线，考虑广义相对论对光子轨迹的影响及距离相关的通量缩放。
• 通过调整恒星半径、距离和星际吸收，将合成光谱和光变曲线拟合至RXJ1856-3754的观测数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 与纯偶极场相比，强环向磁场分量如何改变中子星地壳的表面温度分布？
• RQ2 具有偶极与环向分量的磁场结构能否同时重现RXJ1856-3754的观测X射线和光学通量？
• RQ3 由于各向异性热传导导致的地壳温度非均匀性，热辐射中子星的光变曲线形状和调制深度具有何种可观测特征？
• RQ4 孤立中子星中观测到的表面温度不对称性在多大程度上可约束其内部磁场几何结构与强度？
• RQ5 地壳内环向磁场分量最大值的径向位置如何影响最终的表面温度分布和可观测辐射？

主要发现

• 强环向磁场分量引起表面温度分布非对称，导致一个极区显著高于对侧极区，这是由于沿磁场线的热传导增强所致。
• 该模型产生一个冷的赤道带，分隔两个较暖的极区，可解释RXJ1856-3754中观测到的X射线（极区）与光学（赤道带）辐射的分离。
• 对于RXJ1856-3754，最佳拟合模型中环向场强度为$ B^{ ext{tor}}_0 = 3 imes 10^{15} $ G，核心场为$ 7.5 imes 10^{12} $ G，当观测者与自转轴对齐时，可同时再现X射线和光学谱。
• 该模型预测最大表面温度为$ T_{ ext{max}}^{ ext{infty}} = 8.54 imes 10^5 $ K，有效温度为$ T_{ ext{eff}}^{ ext{infty}} = 4.62 imes 10^5 $ K，在122 pc距离下与观测一致。
• 由此产生的光变曲线显著偏离正弦形状，且即使在相同视线几何下，其调制深度也高于等温地壳模型。
• 包括RXJ1856-3754在内的孤立热辐射中子星的观测光谱和脉动光变曲线，可被具有强内部环向磁场的模型良好拟合，表明此类磁场可能由地壳电流维持。