回転駆動型パルサー -10 L sd = I -12 log Pdot [s/s] L sd =10 38 erg s erg s erg s -1 ATNF のデータより I : 慣性モーメント Ω=2π/P 回転速度の減少は星が持つ

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1 パルサー磁気圏 構造とパルス放射 木坂将大 (KEK)

2 回転駆動型パルサー -10 L sd = I -12 log Pdot [s/s] L sd =10 38 erg s erg s erg s -1 ATNF のデータより I : 慣性モーメント Ω=2π/P 回転速度の減少は星が持つ磁場が原因 log P [s]

3 遠心力風問題 磁化した中心天体が回転 電磁誘導によりプラズマが共回転 ある距離 r 以降は磁場を振り切ってプラズマが流出 rω 程度の速度をもった遠心力風の形成 回転エネルギー単独でプラズマがどれだけエネルギーを持ち出すか? どのような機構で持ち出すか?

4 遠心力風問題 プラズマが十分ある 遠心力風問題 n 共回転電場 n GJ B 2 ec E = (r ) B/c Goldreich- Julian density を維持

5 パルサー風問題 プラズマが十分ある 遠心力風問題 n 共回転電場 n GJ B 2 ec E = (r ) B/c Goldreich- Julian density を維持 パルサー磁気圏では プラズマが十分あるとは限らない n GJ (R LC ) 10 4 P 0.1s 4 B G cm 3 つまり μ Ω α を与えても解は一つに決まらず プラズマ粒子の供給も影響する

6 回転進化の状態遷移 ν = 1/P 電波放射が観測される期間は回転周期の変化が大きい on / o =1.7 ± 0.1 on / o =2.5 ± 0.1 (Lyne 09, Lorimer+ 12) PSR J (Camilo+ 12) PSR J ν ν Date 1000 日 Date 500 日

7 プラズマ供給とパルス放射 粒子加速 E B 6= 0 粒子の供給星からの引き抜き B- γ, γ- γ 対生成 電場遮蔽電荷 電流の調整 上記の過程の中で プラズマが電磁波を放出 パルス放射として観測される パルス放射から 磁気圏の構造 ( プラズマの供給システム ) の情報を引き出せる可能性がある

8 Buehler & Blandford (2014) Blue : Nebula Black : Pulsar Crab nebula

9 Buehler & Blandford (2014)

10 Buehler & Blandford (2014)

11 Buehler & Blandford (2014)

12 Buehler & Blandford (2014)

13 Buehler & Blandford (2014)

14 Buehler & Blandford (2014)

15 観測的示唆 ( 電波 ) 電波の放射領域は磁極付近 ピークは 1 周期に 1 個 2 個持つものは間隔が ~0.5P パルスの幅は P -1/2 PA の変化が RVM で説明可能 Maciesiak & Gil (2011) Rota^ng vector model Posi^on angle Phase Weltevrede et al. 15 (2010)

16 観測的示唆 ( 電波 ) 電波の放射領域は磁極付近 ピークは 1 周期に 1 個 2 個持つものは間隔が ~0.5P パルスの幅は P -1/2 PA の変化が RVM で説明可能 Maciesiak & Gil (2011) 電波 ( コヒーレント放射 ) の放射機構は未解明 放射領域程度の制限

17 観測的示唆 (γ 線 ) GeV γ 線放射領域は比較的外側 GeV パルスの特徴 γ 線パルサーの約半分は電波で未検出 電波と γ 線のピークの位相が一致しない スペクトルは指数関数 ( よりハード ) なカットオフ Vela Leung+ 14

18 若いパルサーの磁気圏構造 (1) Polar capでプラズマを生成 全体を十分なプラズマで満たす ポーラーキャップからの放射は MeVで Fermiでは検出困難 Ek の分布 Light cylinder The last- open field line Kalapotharakos+ 14 Polar cap Closed zone GeV γ線は光円柱より外側の 電流シート近傍領域で加速 されたプラズマからの曲率放射

19 若いパルサーの磁気圏構造 (1) δ Δ Kalapotharakos+ 14 Abdo+ 13 位相

20 若いパルサーの磁気圏構造 (2) Light cylinder The last- open field line Null line Null line 近傍から外側の領域で γ 線放射 粒子生成を行う Closed zone Outer gap Takata+ 04

21 若いパルサーの磁気圏構造 (2) Light cylinder The last- open field line Null line Null line 近傍から外側の領域で γ 線放射 粒子生成を行う Hirotani 13 Closed zone Outer gap

22 若いパルサーの磁気圏構造 (2) Light cylinder The last- open field line 粒子数 Null line Closed zone 時間 Outer gap イオンの運動量 電子の運動量 陽電子の運動量 Null line 近傍から外側の領域で γ 線放射 粒子生成を行う 表面近傍でカスケードを起こさなくても 電波放射を出せるかもしれない 星表面からの距離 (SK, Asano, Terasawa)

23 回転駆動型パルサー log Pdot [s/s] 若いパルサー L sd =10 38 erg s erg s erg s -1 ATNF のデータより Outer gap でも L sd > erg s - 1 なら十分粒子が生成できると考えられている log P [s]

24 回転駆動型パルサー log Pdot [s/s] 年老いたパルサー L sd =10 38 erg s erg s erg s -1 ATNF のデータより Outer gap でも L sd > erg s - 1 なら十分粒子が生成できると考えられている 1-10Myr のパルサーでは outer gap 領域で粒子の生成が厳しい また light cylinder での電場が弱いため 外側からの GeV 放射も厳しい log P [s]

25 電波放射の状態遷移 Hermsen+ 13 B 時間 S/N パルスの位相

26 電波と X 線の状態遷移の同期 X 線 (0.5-2keV) 電波の状態遷移に合わせて X 線の波形も変化する 電波 (320MHz) 電波 (140MHz) Hermsen+ 13

27 X 線放射 -10 X 線は年齢を問わず検出されている : γ 線パルサー : 年老いた X 線パルサー -12 log Pdot [s/s] yr 放射効率も大きな進化はなし Posselt et al. (2012) log P [s]

28 描像 モデル 加速された粒子が( 内向き 外向きに )γ 線を放射 (B- γ, γ- γで ) 生成した粒子がシンクロトロンでX 線を放射 e - e + e + Closed zone Takata et al. (2004)

29 描像 モデル 加速された粒子が ( 内向き 外向きに )γ 線を放射 (B- γ, γ- γ で ) 生成した粒子がシンクロトロンで X 線を放射 仮定 X 線スペクトルは熱的 + 非熱的成分の 2 成分 熱的成分は表面への粒子の衝突で加熱されたもの 非熱的成分は 2 次粒子からのシンクロトロン放射 観測から ν syn, L syn, L th, T pc が得られる 磁場形状は双極磁場 磁極以外からの熱放射は無視 得られる情報をもとに 放射領域に制限を課す

30 放射領域への制限 (1) 2 次粒子のエネルギー ( 上限 ) (γ p E cur ) γ s,pair > γ s,syn ( ν obs ) 1 次, 2 次粒子のローレンツ因子 p = e V pc m e c 2 s,pair = E cur 2m e c 2 曲率放射 シンクロトロン放射の光子のエネルギー E cur =0.29 3h pc 3 h obs = R cur 4 h s,syn 2 eb m e c V pc : ポテンシャル差 : ピッチ角 R cur : 曲率半径

31 放射領域への制限 (2, 3) カットオフ振動数 ( 下限 ) ν obs < ν b = eb/(2πm e c) 粒子生成条件 (B- γ: 上限, γ- γ: 上限または下限 ) B- γ: l Bγ < R NS (χ > 1/15) ( E cur ) γ- γ: (1- cosθ col )E X E cur > (m e c 2 ) 2 ( E cur, T pc ) γ + B e + + e - l p / (B sin ) 1 exp / E cur B sin 4 3 ( 1) γ + γ e + + e - 種光子はポーラーキャップ γ- ray からの熱放射起源 X- ray

32 放射領域への制限 (4) 2 次粒子の個数 ( 上限と下限 ). (L sd, L th, T pc ) N p N γ τ min{t ad, t cool }> N s ( L syn, ν syn ) 1 つの粒子が放出する γ 線光子数 2 次粒子の個数 N (P cur /E cur )t ad N s L syn /P syn 1 次粒子の個数フラックス 光学的厚み Ṅ p,out = L sd /( p m e c 2 ) ( 外向き ) B 1 (B- γ) Ṅ p,in = L th /( p m e c 2 ) 移流と冷却のタイムスケール ( 内向き ) L th 4 r 2 ce X (1 cos col ) r (γ- γ) t ad r/c t cool s,syn m e c 2 /P syn P cur P syn : 曲率放射とシンクロトロン放射のパワー E X 2.8kT pc : 熱放射の光子のエネルギー 0.2 T : 対消滅の断面積 col : 衝突角

33 外向き (One zone) ( 加速領域 ) ~ ( 生成領域 ) 内向き (Two zone) 放射の方向 r r r r col 10 2 R lc 10 6 cm Ṅ p,out = L sd /( p m e c 2 ) col 1 Ṅ p,in = L th /( p m e c 2 ) L th 10 3 L sd 1s P 生成 (X 線放射 ) 加速 (γ 線放射 )

34 結果 ( 外向き ) r 6 r/10 6 cm -12 B- γ (2-4)< r 6 < (5-7) -12 γ- γ SK & Tanaka yr log Pdot [s/s] B log Pdot [s/s] B log P [s] log P [s]

35 結果 ( 内向き ) -12 B- γ -12 γ- γ SK & Tanaka yr log Pdot [s/s] -16 log Pdot [s/s] B B log P [s] log P [s]

36 結果 ( 内向き ) -12 B- γ -12 γ- γ SK & Tanaka yr log Pdot [s/s] L sd <10 34 erg s - 1 では粒子の加速 生成は星のごく近傍 log P [s] log Pdot [s/s] B B ただし ~2 倍程度星から離れている必要がある L sd < erg s - 1 ではシンクロトロン放射で観測を説明できない 逆コンプトン散乱が考えられるが この場合も星近傍 (~10R NS ) が放射領域となる log P [s]

37 パルサーからの可視光放射 -10 年齢を問わず検出されている τ ~ 10 4 yr τ ~ 10 6 yr log opt -6 log Pdot log P τ ~ 10 8 yr log 2 次粒子からのシンクロトロン放射とすると 振動数が小さいほど放射領域の下限が厳しい obs > cut cut = eb 2 m e c

38 放射領域の下限 ベキ指数が > - 1/3 なので obs > cut cut = eb 2 m e c R lc = Pc/2 R NS 10 6 cm 双極磁場を仮定すると B(r) =B s (r/r NS ) 3 放射領域に下限が得られる r obs 1/3 Bs 10 6 > 14 cm Hz G 1/3

39 可視光の放射領域の下限は ~ R NS 程度 10 放射領域 :R lc P :r cut B 1/3 log r log

40 B- γ 反応が可能か? B- γ 反応では説明できない領域 (polar cap 以外 ) で可視光の放射が起きている天体が存在する 2 log (r B /r cut ) log

41 まとめ 回転駆動型パルサーの回転エネルギー引き抜きには プラズマの供給が重要なパラメーターの一つと考えられる 若いパルサーでは 星から離れた領域から γ 線が放出されていることは確立した polar cap + current sheet vs outer gap という構図で議論が展開されている印象 年老いたパルサーでは X 線を説明するには星近傍での粒子加速 粒子生成が行われているだろう ただし L sd < erg s - 1 ではシンクロトロン放射は観測を説明できない 逆コンプトン散乱? 年老いたパルサーからの可視光は γ- γ で生成された粒子からの放射でなければならない 光度曲線の確認が必要

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