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パルサー磁気圏での粒子加速モデルの進展
木坂 将大（広島大学）
回転駆動型パルサー 観測事実 1. パルスの周期Pが~10-‐3-‐1sで安定 →自転する中性子星 2. 周期が時間とともにわずかに増加 →動力源は回転エネルギー
表面磁場
エネルギー 損失率
年齢
2
中性子星 M ∼ 1.4M⊙
R ∼ 10km
Lsd ∼ 1035erg s−1
P
0.1s
−3
P
10−14ss−1
Bs ∼ 1012G
P
0.1s
1/2
P
10−14ss−1
1/2
τc ∼ 105yr
P
0.1s
P
10−14ss−1
−1
磁気圏の概念図 (Goldreich & Julian 1969)
Light cylinder
Null line
The last-‐open field line
パルサー磁気圏構造
-‐
+ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
+
+ + + +
+
+
+
+
+
+ +
+ + Closed zone
磁石が回転 → 電場が誘起 → 電荷が遮蔽 → 磁気圏形成
定性的描像
3
(Thompson 2003)
電波 可視光 軟Ｘ線 硬Ｘ線 γ線
Crab Vela Geminga
4
Romani (2011) 2FAN Workshop
7個 → >100個
5
Romani (2011) 2FAN Workshop
Photon index
Cut-‐off energy
Abdo et al. (2010) Energy and phase dependences
γ線の重要性 γ線は加速された粒子による曲率放射と考えられる。 粒子の最大のローレンツ因子は より、
CharacterisWc energy Ec
γ ∼ 2.8× 107
P
0.1s
− 14Rc
Rlc
12
η
0.1
Bs
1012G
r
Rlc
−3 1
4
Ec ∼ 1.4GeV
P
0.1s
− 74Rc
Rlc
12
η
0.1
Bs
1012G
r
Rlc
−3 3
4
Rc:曲率半径,
6
E ≡ ηB
eE = Frad
γ線の放射領域は粒子の加速領域に対応。
Slot gap
Light cylinder
Null line
The last-‐open field line
Outer gap
Closed zone
パルサー磁気圏構造
γ線の放射領域は外側。
Romani (2011) 2FAN Workshop
Romani (2011) 2FAN Workshop Abdo et al.
(2010)
7
磁気圏の概念図 (Goldreich & Julian 1969)
γ線スペクトル
Outer gapの場合 Wang et al. (2010)
Wang et al. (2010) Outer gapの場合
回転軸に垂直な平面 (α=90°)
AberraWon effect: 観測される放射の方向と磁力線の接線 方向からのずれ。 Time delay: 放射領域との経路差による時間差。
μ Vrot
磁力線
Time delay
: 磁力線の接線方向 : 観測される光子の 伝播方向 : 回転方向 : 時間差に対応する 距離
Leading side Trading side
10
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Leading side 磁化軸が正面を向いている
回転により、粒子の速度ベクトルが外側で赤道方向に 向けられる。この領域が全体として光る。 Trading sideは回転と粒子の速度の方向が逆なので 基本的にはおこらない。
共回転
磁力線の方向
粒子の 速度ベクトル
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Trading side
回転軸が正面を向いている
光子の経路差と見えてくる放射領域の移動が ほぼそろうことで、ピークができる。
12
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Trading side
回転軸が正面を向いている
光子の経路差と見えてくる放射領域の移動が ほぼそろうことで、ピークができる。
13
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Trading side
回転軸が正面を向いている
光子の経路差と見えてくる放射領域の移動が ほぼそろうことで、ピークができる。
14
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Trading side
回転軸が正面を向いている
光子の経路差と見えてくる放射領域の移動が ほぼそろうことで、ピークができる。
15
Slot gap/Outer gapでどうやって２ピークができるか？
Trading side 回転軸が正面を向いている
光子の経路差と見えてくる放射領域の移動が ほぼそろうことで、ピークができる。
16
図の見方
17
黒色で囲まれた領域に入った ときに観測したとする。傾きは 見込み角を反映している。
Outer gapを仮定する。見込み角を ζ <90°とする ため、左図の赤い領域である下側から光円柱 までの磁力線を考える。下図で、黄色は磁力線、 その上から水色のouter gap領域、緑色の 放射領域(rnull<r<RLC)を重ねている。赤色はその 時間ステップにおいて観測者方向と一致する 領域で、青色は放射された後の光子の伝播。
-‐Rlc Rlc
Rlc
-‐Rlc
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
18 -‐Rlc Rlc
Rlc
-‐Rlc
Rlc
Rlc
-‐Rlc -‐Rlc
電波の位相 を0とする。
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
19
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
20
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
21
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
22
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
23
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
24
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
25
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
26
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
27
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
28
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
29
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
30
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
31
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
32
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
33
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
34
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
35
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
36
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
37
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
38
光度曲線
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
PSR J0205+6449
α=75 ζ=88
39
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
40
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
41
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
42
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
43
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
44
光度曲線
PSR J0205+6449
放射領域 r
ヌルまで の距離 rnull
α=75 ζ=88
45
光度曲線
注）本当は複数の磁力線 からの放射をみている。 Closed zone
ピークの描像 μ 回転軸と磁化軸が ある面（スクリーン） に対して垂直に 切った断面
Bridge
μ 電波
γ線[Leading] γ線[Trading]
自転方向
Abdo et al. (2009)
注）本当は複数の磁力線 からの放射をみている。 Closed zone
ピークの描像 μ 回転軸と磁化軸が ある面（スクリーン） に対して垂直に 切った断面
電波
γ線[Trading]
Bridge
γ線[Leading]
自転方向
Abdo et al. (2009)
注）本当は複数の磁力線 からの放射をみている。 Closed zone
ピークの描像 μ 回転軸と磁化軸が ある面（スクリーン） に対して垂直に 切った断面
電波
γ線[Trading]
Bridge
γ線[Leading]
自転方向
Abdo et al. (2009)
注）本当は複数の磁力線 からの放射をみている。 Closed zone
ピークの描像 μ 回転軸と磁化軸が ある面（スクリーン） に対して垂直に 切った断面
Bridge
μ 電波
γ線[Leading] γ線[Trading]
自転方向
Abdo et al. (2009)
Closed zone
ピークの描像(slot gap) μ 回転軸と磁化軸が ある面（スクリーン） に対して垂直に 切った断面
γ線 (Slot?)
Bridge
μ 電波
γ線 (Outer, Slot?) γ線
(Outer, Slot)
γ線 (Slot)
自転方向 注）本当は複数の磁力線 からの放射をみている。
統計的性質 ・ピークの数
Black：Outer gap Red,green: Slot gap ・ピークの間隔、電波からのずれ
Wajers & Romani (2010)
1 0 2 3 4
51
P1/P2 raWo
放射領域 r
位相
Abdo et al. (2009) Abdo et al. (2010)
P1/P2 raWo
Hirotani (2011)
Abdo et al. (2009) Abdo et al. (2010)
Takata et al. (2004)
粒子生成領域
Closed zone
Closed zone Closed zone
54 Harding & Muslimov (2003)
Slot gap Outer gap
Closed zone
粒子生成領域に異なり、X線以下に違いが出る。
rpc,0 Closed zone
MagneWc axis
rov <1.0 rov =1.0
Surface
rov >1.0
外向き
内向き
Abdo et al.(2009)
内向きの放射によりγ線 とX線を同時に説明可能。
55 位相
強度
SK & Kojima (2011)
粒子生成領域
X線とγ線の違い
α~78°, ζ~88°
α~72°, ζ~64° α~29°, ζ~38°
α~30°, ζ~35°
α、ζが小さい場合、 γ線の放射領域が X線で暗くなる。
ヌル近傍で粒子生成 がおきていることを 示唆する。
γ, X線
γ線
Abdo et al.(2010)
Abdo et al.(2009)
Abdo et al.(2009)
Weltevrede et al. (2010)
Weltevrede et al. (2010)
X線とγ線の違い
α~78°, ζ~88°
α~72°, ζ~64° α~29°, ζ~38°
α~30°, ζ~35°
α、ζが小さい場合、 γ線の放射領域が X線で暗くなる。
ヌル近傍で粒子生成 がおきていることを 示唆する。
γ, X線
γ線
Abdo et al.(2010)
Abdo et al.(2009)
Abdo et al.(2009)
Weltevrede et al. (2010)
Weltevrede et al. (2010)
Takata et al. (2006)
Inner boundary
lower boundary
Upper boundary
MSPのうち２天体でγ線の直後に電波のピークが くることがわかっている。若いパルサーには一つも みられず、outer gap modelでは再現できない。
Guillemot (2009)
問題点：MSPの光度曲線
γ-‐ray
Radio
MSPのうち２天体でγ線の直後に電波のピークが くることがわかっている。若いパルサーには一つも みられず、outer gap modelでは再現できない。
Bridge
μ 電波
γ線
γ線
このあたりでないと いけないが、ピーク はここにはできない。
問題点：MSPの光度曲線
MSPでのouter gap
Wang & Hirotani (2011)
outer gapはヌル近傍でカスケードを起こすモデル。 この領域の電磁場は若いパルサーとあまり変わらないため MSPとの違いはあまり期待できない。 なんらかの修正が必要。
Pair-‐Starved Polar Cap
Harding (2009)
曲率放射 に対する death line
ポーラーキャップモデルは極域でカスケードを起こすので 若いパルサーとは異なる。十分にペアが供給できない “Pair starved polar cap model“が提案されている (Muslimov & Harding 2004)。
Pair-‐Starved Polar Cap ポーラーキャップモデルは極域でカスケードを起こすので 若いパルサーとは異なる。十分にペアが供給できない “Pair starved polar cap model“が提案されている (Muslimov & Harding 2004)。
μ
電波
γ線 ここを放射領域 とした。これで 電波より前に ピークができる。
model Venter et al. (2009)
γ-‐ray
Radio
Pair-‐Starved Polar Cap ポーラーキャップモデルは極域でカスケードを起こすので 若いパルサーとは異なる。十分にペアが供給できない “Pair starved polar cap model“が提案されている (Muslimov & Harding 2004)。これだと光度曲線を説明 できる。
宇宙線での検証
・Bとe±のエネルギーは等分配 ・B, e±ともフラックスは保存 ,
κ : mulWplicity Ω : angular velocity
エネルギーと個数を関係づけられる。
仮定 εe = B2/8πN
N = Nlc
Rlc
r
2
Nlc =ρlceκ =
BlcΩ
2πceκ
B = BlcRlc/r
εe = e∆Vmaxκ−1 ∼ 50κ−1TeV
生成する粒子が少ないことを利用する。
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
std.25% std.10% std.
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
κ=1の結果 (εe=50TeV)
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
100
101
102
103
101 102 103 104 105
Flux
e3
e [m
-2 s
-1 s
r-1 G
eV2 ]
Energy e [GeV]
ATICHESS(08)
PPB-BETSFermi
HESS(09)
e± total flux pair starved MSPsの割合
100% 25% 10%
10-‐50 TeV にピークを作り、CALET, CTAで検出 される可能性がある。複数のMSPによるもので あるため、非等方性が小さいことが期待できる。
SK & Kawanaka (2012)
問題点：outer gap の起源 本来は電荷分離している状況で考えられたモデル。 そうでないとヌルが境界の役目を果たさない。
Light cylinder
Null line
The last-‐open field line
-‐
+ -‐
-‐
-‐
-‐ -‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
+
+ +
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+ + Closed zone
問題点：outer gap の起源
Light cylinder
Null line
The last-‐open field line
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐ -‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
-‐ -‐
+ +
+
+
+
+
+
+ + + Closed zone
ギャップ
本来は電荷分離している状況で考えられたモデル。 そうでないとヌルが境界の役目を果たさない。
まとめ ・Fermiの観測に対して、ヌル近傍でカスケードが 起こり、そこが放射領域であれば多くの結果を 自然に説明できる。
・MSPの光度曲線の振る舞いは説明できないため、 現状のモデルになんらかの修正は必要だろう。 10TeV領域での電子陽電子宇宙線の観測が 手がかりになるかもしれない。
・outer gapの形成は自明ではない。 磁極との粒子のやりとりが重要？
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