2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
多重極磁場を考慮した
中性子星磁気圏の構造(2)
○和田 智秀*(国立天文台) 藤澤 幸太郎(東京大)
回転駆動型
質量降着型
磁気エネルギー
解放型
発表の概要
•パルサーの観測的性質
•研究目的
•結果
•まとめと今後の課題
* email: tomohide.wada @ nao.ac.jp
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
ガンマ線ビーム
曲率輻射(制動放射)
Pulse profile of Geminga: Abdo et al., 2010 ApJS
>0.1GeV
=Geminga
放射による
反作用
電子の旋回中心
Pulsar phase(2 rotation periods、1自転周期=0.237秒)
E//
ガンマ線
B
Rc;
プラズマの旋回
中心の曲率半径
Rl; 光半径 ( cP/2π)
P; 自転周期
ガンマ線パルス; 星と共に剛体回転する
局所的な粒子加速領域
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
ガンマ線ビーム
曲率輻射(制動放射)
Pulse profile of Geminga: Abdo et al., 2010 ApJS
>0.1GeV
=Geminga
放射による
反作用
電子の旋回中心
Pulsar phase(2 rotation periods、1自転周期=0.237秒)
E//
ガンマ線
B
Rc;
プラズマの旋回
中心の曲率半径
Rl; 光半径 ( cP/2π)
P; 自転周期
ガンマ線パルス; 星と共に剛体回転する
局所的な粒子加速領域
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
ガンマ線ビーム
曲率輻射(制動放射)
Pulse profile of Geminga: Abdo et al., 2010 ApJS
>0.1GeV
=Geminga
放射による
反作用
電子の旋回中心
Pulsar phase(2 rotation periods、1自転周期=0.237秒)
E//
ガンマ線
B
Rc;
プラズマの旋回
中心の曲率半径
Rl; 光半径 ( cP/2π)
P; 自転周期
ガンマ線パルス; 星と共に剛体回転する
局所的な粒子加速領域
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
シンクロトロン星雲
自転エネルギー;
自転エネルギー損失;
?
パルサー磁気圏
電子
陽電子
シンクロトロン星雲
Ms; パルサーの質量、R; パルサー(中性子星)の半径、P; 自転周期、 dot{P}; 自転周期の減少率
パルサー風; 星雲内から定常に吹き出す
加速された磁化したプラズマ(e+,e)
パルサーの自転エネルギーの大部分はパルサー風に
よって解放されているが磁気圏での粒子加速機構が
どのようなものかは未解決問題である
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
パルサー風を持つ磁気圏構造
国立天文台4次元デジタル宇宙プロジェクトでは科学データをわかりやすく世間に公開するためにこれまで多く
の映像コンテンツ作成とそれらの公開を行ってきました。こうした可視化技術をデータの供給元である研究者に
還元し、助言や提案を頂きながらよりよい科学成果の可視化ができるようにすることを目指しています。これか
らお見せする映像は限られた発表時間の中でより多くのことをわかりやすく、また印象強く伝えるための作成さ
れた科学映像の例にもなっています。
12年3月20日火曜日
12年3月20日火曜日
12年3月20日火曜日
軸対称定常磁気圏モデル
:
:
:
:
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
磁化して回転する導体球には単極誘導が起こり、誘導電場はプラズマを
星表面から電荷分極した状態で引き出す。磁気圏プラズマは磁力線に
沿った力学平衡位置に落ち着こうとし、電荷雲が形成される。
参考: Jackson 1976 ApJ
12年3月20日火曜日
軸対称定常磁気圏モデル
:
:
:
:
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
磁化して回転する導体球には単極誘導が起こり、誘導電場はプラズマを
星表面から電荷分極した状態で引き出す。磁気圏プラズマは磁力線に
沿った力学平衡位置に落ち着こうとし、電荷雲が形成される。
参考: Jackson 1976 ApJ
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
軸対称で多重極磁場を持ったモデルへ
磁力線
回転軸(磁化軸)
赤道面
磁化した導体球が持つ真空中の電磁場は球面調和関数で
一般解が解析的に与えられる
電気力線
B1: 双極磁場、四重極電場
赤道面
B2: 四重極磁場、八重極電場
星近傍でBdip以外の成分があったら
磁気圏構造はどうなるのか
我々のモデルでは8重極磁場以降の高次の場(Bn>3=0)とし、B1を基準としてB2
の大きさをパラメータとして星の持つ磁場を与える
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
軸対称で多重極磁場を持ったモデルへ
磁力線
回転軸(磁化軸)
赤道面
電気力線
B1: 双極磁場、四重極電場
磁化した導体球が持つ真空中の電磁場は球面調和関数で
一般解が解析的に与えられる
B1
赤道面
B2: 四重極磁場、八重極電場
星近傍でBdip以外の成分があったら
磁気圏構造はどうなるのか
我々のモデルでは8重極磁場以降の高次の場(Bn>3=0)とし、B1を基準としてB2
の大きさをパラメータとして星の持つ磁場を与える
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
軸対称で多重極磁場を持ったモデルへ
磁力線
回転軸(磁化軸)
赤道面
電気力線
B1: 双極磁場、四重極電場
磁化した導体球が持つ真空中の電磁場は球面調和関数で
一般解が解析的に与えられる
B1
B2
赤道面
B2: 四重極磁場、八重極電場
星近傍でBdip以外の成分があったら
磁気圏構造はどうなるのか
我々のモデルでは8重極磁場以降の高次の場(Bn>3=0)とし、B1を基準としてB2
の大きさをパラメータとして星の持つ磁場を与える
12年3月20日火曜日
初期状態(Bquad>Bdip)
:
:
:
:
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
negative charge
定常解を得るために時間微分項を省略したマクスウェル
方程式とプラズマの運動方程式を合わせて解く
Electric field
Magnetic field
定常マクスウェル方程式(静電磁場)
; dipole, quadpole
radiation
drag force
B.C.
; monopole, quadrepole,
octopole
E//
positive charge
基礎方程式(定常解を得ることを目的とする)
B
gamma-ray
B
電子の旋回中心
Eij
Bij
B.C.
運動方程式(位置•速度は三次元)
相互作用の計算は非常に計算コストが大きいので
国立天文台CfCAのスーパーコンピューター
GRAPE-DRを用いています
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
negative charge
定常解を得るために時間微分項を省略したマクスウェル
方程式とプラズマの運動方程式を合わせて解く
Electric field
Magnetic field
定常マクスウェル方程式(静電磁場)
; dipole, quadpole
radiation
drag force
B.C.
; monopole, quadrepole,
octopole
E//
positive charge
基礎方程式(定常解を得ることを目的とする)
B
gamma-ray
B
電子の旋回中心
Eij
Bij
B.C.
運動方程式(位置•速度は三次元)
相互作用の計算は非常に計算コストが大きいので
国立天文台CfCAのスーパーコンピューター
GRAPE-DRを用いています
12年3月20日火曜日
初期状態(Bquad>Bdip)
:
:
:
:
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
初期状態(Bquad>Bdip)
:
:
:
:
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
Bquad>Bdipの軸対称定常磁気圏
:
:
:
:
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
※この解は磁気圏での電子陽電子対生成がはいっていません
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
Bquad>Bdipの軸対称定常磁気圏
:
:
:
:
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
※この解は磁気圏での電子陽電子対生成がはいっていません
12年3月20日火曜日
:
:
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:
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
※この解は磁気圏での電子陽電子対生成がはいっていません
12年3月20日火曜日
子午面
:
:
:
:
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
正電荷
負電荷
磁力線
電気力線
真空解の子午面上(今の場合はy-z平面)の磁力線と電気力線
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
結果
小
Bdip
Bdip=Bquad
光半径
自転軸
子午面上の電荷分布
星の自転周期で針
が一周する時計→
赤道面
: 正電荷
: 負電荷
12年3月20日火曜日
大
Bdip<Bquad
双極磁場に対する四重極磁場の割合
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
結果
小
Bdip
Bdip=Bquad
光半径
自転軸
子午面上の電荷分布
星の自転周期で針
が一周する時計→
赤道面
: 正電荷
: 負電荷
12年3月20日火曜日
大
Bdip<Bquad
双極磁場に対する四重極磁場の割合
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
赤道面に対して非対称な沿磁力線電場構造
Bdipのみのモデルの子午面の様子(赤道面
に対称な電場構造)
Bdip<Bquadのモデルの子午面の様子
(赤道面に非対称な電場構造)
赤道面
赤道面
沿磁力線電場
磁
力
光半径
線
磁力線
12年3月20日火曜日
ガンマ線
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
赤道面に対して非対称な沿磁力線電場構造
Bdipのみのモデルの子午面の様子(赤道面
に対称な電場構造)
Bdip<Bquadのモデルの子午面の様子
(赤道面に非対称な電場構造)
赤道面
赤道面
沿磁力線電場
磁
力
光半径
線
磁力線
12年3月20日火曜日
ガンマ線
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
磁気圏電流の作る磁場の効果(Bdipのみ)
dipole
主なプラズマ供給領域
magne
tic field
line
光半径
rotation axis
poloidal plane
子午面上のE//強度マップ
toria
l pla
ne
ligh
t cy
lind
er
光円柱内側の局所的プラズマ供給
領域(加速領域)からの電流が全体
の構造に影響している
12年3月20日火曜日
flow pattern of particle on poloidal plane
light cylinder
equa
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
磁気圏電流の作る磁場の効果(Bdipのみ)
dipole
主なプラズマ供給領域
magne
tic field
line
光半径
rotation axis
poloidal plane
子午面上のE//強度マップ
ren
t
vec
tor
equa
toria
ma
l pla
ne
po
ne
qua
tor
ligh
ial p
t cy
lan
lind
e
er
光円柱内側の局所的プラズマ供給
領域(加速領域)からの電流が全体
の構造に影響している
12年3月20日火曜日
flow pattern of particle on poloidal plane
light cylinder
cur
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
磁気圏電流の作る磁場の効果(Bdipのみ)
rotation axis
poloidal field
dipole
ma
poloidal plane
主なプラズマ供給領域
field lin
e
光半径
gnetic
toroidal field
子午面上のE//強度マップ
光円柱内側の局所的プラズマ供給
領域(加速領域)からの電流が全体
の構造に影響している
12年3月20日火曜日
flow pattern of particle on poloidal plane
light cylinder
equa
cur toroidal current
toria
ren
pol
l pla
oid
t ve
ne
al c
cto
urr
rm
ent
ap
on
equ
ato
ligh
rial
tc
pla
ylin
ne
deerr
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
磁気圏電流の作る磁場の効果(Bdipのみ)
子午面上のE//強度マップ
主なプラズマ供給領域
光半径
is
rroota
tatitioonn aaxxis
loid
idaall ppla
ppoolo
lannee
distorted magnetic
poloidal fieldfield line toroidal field
dipole
magne
tic field
line
cur toroidal current
ren
t ve
cto
rm
ap
on
equ
ato
lilgh
rial
ight c
pla
t cyyli
ne
lninddee
errr
光円柱内側の局所的プラズマ供給
領域(加速領域)からの電流が全体
の構造に影響している
12年3月20日火曜日
flow pattern of particle on poloidal plane
light cylinder
eqeuqa
uta
otroiarl
pol
iapl lapn
oid
laene
al c
urr
ent
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
磁気圏電流の作る磁場の効果(Bdipのみ)
子午面上のE//強度マップ
主なプラズマ供給領域
光半径
is
rroota
tatitioonn aaxxis
loid
idaall ppla
ppoolo
lannee
distorted magnetic
poloidal fieldfield line toroidal field
dipole
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tic field
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cur toroidal current
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lilgh
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lninddee
errr
光円柱内側の局所的プラズマ供給
領域(加速領域)からの電流が全体
の構造に影響している
12年3月20日火曜日
flow pattern of particle on poloidal plane
light cylinder
eqeuqa
uta
otroiarl
pol
iapl lapn
oid
laene
al c
urr
ent
まとめと今後の課題
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
我々がこれまで星が双極磁場のみを持っているとして考えてきた
軸対称磁気圏モデルに四重極磁場を加えた場合の磁気圏構造について
粒子法によりその大局的な構造について数値定常解を求めた。
•四重極磁場によって真空中の星の持つ電磁場は赤道面に非対称となり、星から
引き出された磁気圏電荷雲、加速電場構造も非対称構造を作る
•高次の場は減衰が早いため、十分遠方では双極磁場のみのモデルの電荷分布と似
た構造になる
•電子陽電子対生成が星の近くで起こる場合は、外部に向かって流れ出す電流も
赤道面に対称でなくなり、これは磁気圏の大局的な構造にも影響するだろう
今後は電子陽電子対生成を考慮したモデルで解を求め、赤道面
に対して非対称な加速領域を持つ磁気圏の可能性について探っ
ていきたい
12年3月20日火曜日
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
謝辞
本研究をすすめるにあたり、木坂将太さま、加藤裕吾さま、高田順平さま、柴田
晋平さま、国立天文台プラズマセミナーの皆様からは多くの議論を頂きました。
シミュレーションとその結果の可視化は国立天文台CfCAを利用させていただい
ております。合わせて感謝もうしあげます。
-CfCA: http://www.cfca.jp
-4D2U: http://www.4d2u.nao.ac.jp/
-digest movie(WS2011): http://th.nao.ac.jp/~wadatm/pub/2010psr01.wmv
FOUR-DIMENSIONAL DIGITAL UNIVERSE PROJECT
12年3月20日火曜日
End
2012年3月19-22日 天文学会春季年会@龍谷大
ご清聴ありがとうございました
12年3月20日火曜日
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