パルサー風領域における誘導コンプトン散乱について

阪大宇宙進化グループ　 D3田中　周太

共同研究者：高原　文郎

124, Feb., 2012, Multi-Messenger Astronomy で迫るコンパクト天体 @ 京大

パルサー星雲

2

パルサー星雲は中心パルサーが作る

光円柱 ~108cm 衝撃波 ~0.1pc 不連続面 ~2pc （衝撃波）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

Ⅰ 磁気圏　　　Ⅱパルサー風領域　　　Ⅲパルサー星雲　　Ⅳ超新星残骸　Ⅴ星間物質

パルサー

KC モデル

3

Crab の膨張速度、スペクトルを説明

終端衝撃波で加速された粒子が溜まり、輝いている

Kennel&Coroniti1984a ,b⬆ ⬇

パルサー風を 1/100 以下に減速σ~10-3@ RTS が必要 !!

スペクトルの折れ曲がり @1014HzΓw~106@ RTS が必要 !!

速度

光度

距離

可視 X線

電波スペクトル

4

Broken-PL でないと合わない

Tanaka & Takahara 10

The Crab Nebula

Object αr -αx

Crab 0.8

3C58 0.9

G21.5-0.9 1.2

X 線と電波のベキ指数の差

>0.5 はシンクロトロン冷却ではできない。

Γw 問題

5

σ 問題とは独立の Γw 問題

γmin γb γmax

∝γ-p1

∝γ-p2

eE

logN(γ)

logγ

1 < p1 < 2 < p2 < 3 & σ<<1

1.

2.

2eGJwespin )1( cmNEL

1 と粒子数保存 : Γw~103, κ~106 for Crab [γb は何が決める ?]

2 と衝撃波加熱 : Γw~106, κ~103 for Crab [ 粒子数が非保存 ]

3.

Γw 問題の解、その壱

6

放射メカニズムに押し付ける

シンクロトロン放射 ( 青 )→ ジッター放射 ( 赤 )

低振動数側のベキ指数が乱流の波数スペクトルに依存→ 天体ごとに違うスペクトル

Fleishman & Bietenholz 07

Broken PL particle -> 乱流スペクトル

Γw 問題の解、その弐

7

磁場の空間構造に押し付ける

冷却が効きすぎる→KC model は使えない。

Reynolds 09

One-zone -> Multi-zone

シンクロトロン冷却モデル 断熱冷却モデル

Tanaka.com

速度プロファイルに依存→KC model は使えない。

モチベーション

8

パルサー風の物理状態を制限したい

上記以外にも、 SN explosion 起源説 (Atoyan&Aharonian

96) や Filament 起源説 (Lyutikov 03) -> わかった気になるモデ

ルはない。

κΓw~109(for Crab) は、 Lspin より明らかだが、 κ と Γw が独立に

決まる物理はないのか。 -> 電波パルスの誘導コンプトン散乱を考

える

誘導コンプトン散乱

9

これだけだと τ>1010 になる

パルサー風による電波パルスの散乱(Tb が大きいので誘導項が重要 )

誘導項を含んだ散乱の式

電子の反跳が必要 平坦でない分布関数が必要

自発散乱率< 1@ 光円柱

誘導項の効果> 1015@108Hz

Wilson & Rees 78

10

仮定にどの程度依存 ? τ>1 ではどうなる ?

冷たいプラズマ、プラズマと光子の向きが一致などを仮定　→ τ < 1 には Γw > 104 が必要 ( 電波パルスは見えてる )　→ Γw 問題に制限 (PWN の電波観測と矛盾 )

5 重積分を含んだ非線形微分積分方程式

定式化

11

Γw, θv, θkmax がパラメータ

冷たいプラズマを仮定 図 (→) のような geometry を仮定 θv=θv0

∝ (Γw)-4 ~ 1016 for Crab

スペクトルを仮定して、積分を数値的に評価

光学的厚み : 静止プラズマ

12

θkmax によって絶対値が変化

静止プラズマ (Γw =1) の場合解析的に積分可能 , θv に依らない

／|τ(ν)|

ν/ν0

光学的厚み : パルサー風

13

θkmax,θv と (Γw)-1 の大小が重要

θkmax と θv を (Γw)-1 で規格化すると Γw 依存性は消える

θkmax = 0.1 / Γw θkmax = 10 / Γw

色の違いはθv の違い

左右で縦軸が違う

縦の広がり , τ∝(θkmax/θv)4 横の広がり

まとめ 1

14

τ > 1 でどうなるかわからない

n(ν) が broken PL の場合に関して、局所的な τ(ν) を求めた。

静止プラズマでは、解析解を再現。

τ∝(Γw)-4, θkmax, θv は (Γw)-1 で規格化できる。

θkmax と Γw の大小により、 τ(ν) の形状が大きく変化。→n(ν) の発展の仕方も大きく変わる。

Crab で τ<1 を要請するなら、光円柱で Γw > 104 は必要そう。(Giant Pulse の場合もう一桁は大きくないとダメ )

まとめ 2

15

スペクトルの発展はまだ追えない

数値計算の手法を改良する必要がある

Zel’dovich & Sunyaev 72 などで言われている通り、静止プラズマで ν 空間の shock が起ちそう ( 上図 ) 。→shock を解く物理がないと、スペクトルの発展は追えない。

パルサー風の場合は、 shock が起つかさえ不明。→τ>1 でスペクトルがどこまで変化するのかも不明。

Zel’dovich & Sunyaev 72の落書き

Coppi+ 93の数値計算

課題

16

スペクトルの発展を追えるようにする。→ 数値発散の原因を特定。

静止プラズマの場合で shock をならす物理を調べたい。

Background 光子の影響が重要 (右上図 )?

有限温度の効果はどこまで無視できるか。

偏光、磁場の効果 (σ の値 ) 、 etc.

Coppi+ 93の数値計算