パルサーの巨大電波パルスとSKA
三上 諒(東京大学・宇宙線研究所)

パルサーと巨大電波パルス◎パルサー(回転中性子星)
・超強磁場 (地表の約1兆倍)
・高速自転 (ミリ秒～数秒)⇒宇宙の「極限環境」
星の自転 ⇒ 周期的パルス

電波～γ線まで、幅広い周波数帯域で[http://www.jb.man.ac.uk/research/pulsar/double
パルス放射が観測される
pulsarcd/media/lighthouse.avi]パルサーと巨大電波パルス◎パルサー(回転中性子星)
・超強磁場 (地表の約1兆倍)
・高速自転 (ミリ秒～数秒)⇒宇宙の「極限環境」
星の自転 ⇒ 周期的パルス

電波～γ線まで、幅広い周波数帯域で[http://www.jb.man.ac.uk/research/pulsar/double
パルス放射が観測される
pulsarcd/media/lighthouse.avi]

巨大電波パルス(Giant Radio Pulse, GRP)に注目

パルサーの巨大電波パルス(Giant Radio Pulse, GRP)

(フラックス密度
任意ス
ケール

カニパルサーでのGRPの例[2010/04/06 03:21:54 UTC @NICT鹿島]
カニパルサーの周期は約33ms

Giant Radio Pulses
Normal pulses(Nebulaからの放射に埋もれて見えていない))パルサーの巨大電波パルス(Giant Radio Pulse, GRP)
2014/6/1 03:54:31UTC頃に3地点で同時観測されたカニパルサーGRP
323.1-327.1MHz[東北大飯舘観測所]

1400-1443MHz[NICT鹿島]

2182-2344MHz[JAXA臼田]

4ms

20μs

20μs

・現在10個程度のパルサーでGRPが発見されている
・通常パルス強度の数千倍を超える・≳100周期に一回発生
・ナノ秒スケールで激しい変動を見せる
・放射機構は未解明

本研究の目的
GRPの多周波同時観測により到来時刻差を精密測定し、パルス伝播路、特にパルサー近傍のプラズマ密度構造に迫る
パルサーの強磁場・高速自転→多量の[カニパルサーで~1040個/秒]
高エネルギープラズマ放出を示唆[Tanaka & Takahara, 2010など]

高エネルギープラズマ粒子がどのように生まれるか?
||パルサーの電磁場エネルギーがどのように粒子エネルギーに変換されるか?
に対する理解への手掛かりとなることを期待

星間プラズマ中の伝播によるパルスの群遅延(dispersion delay)効果
角振動数ωのパルスがプラズマ中の距離Lを伝播するのに要す
る時間Tは、群速度

プラズマ中での屈折率
ω>>ωpeとして展開すると、Dispersion Measure (DM)

これまでの研究では、DM項(∝f-2)のみが考慮され、より高次の項は小さいとしてしばしば無視されてきた

f-2のdelayの効果のみで十分か?
－Kuz’min et al. (2008)の報告－
GRP到来時刻差の頻度分布

GRP波形の例

・111, 63, 44MHz帯でのカニパルサー GRP観測
・DMのみでは説明できないGRPの到来時刻差が見られた
111MHz-63MHz間→ ～ 67 ms
111MHz-44MHz間→ ～ 150 ms0500
時刻 [msec]-5000500
時刻差 [msec]

f-2のdelayの効果のみで十分か?
－Kuz’min et al. (2008)の解釈－
低周波数のGRPが、DMにより与えられる遅延を補正してもさらに遅れている→dispersion delayの高次項が見えているかも?
𝐿𝑞2
13 𝑞2
≃ 𝑐 + 2𝜋𝑚 𝑐 2 𝑓 2 𝐷𝑀 + 8𝑐 𝜋𝑚𝑒𝑒𝐸𝑀 ≡𝐿
2𝑛𝑑𝑠0 𝑒21
𝐸𝑀
4𝑓

“Emission Measure”→視線方向に、平均と比較して高密度のプラズマ領域が一部だけ存在し、そこを伝播したと解釈(Kuz’minらの得たGRP到来時刻差 -> EM ～ 4×106pc/cm6 )Kuz’min et al. (2008)で得られた
EM ～ 4×106pc/cm6について
𝐿𝑞2
13 𝑞2≃ 𝑐 + 2𝜋𝑚 𝑐 2 𝑓 2 𝐷𝑀 + 8𝑐 𝜋𝑚𝑒𝑒

星間乱流による典型的なEM値𝐸𝑀𝐼𝑆𝑀 は、[1pcスケールの密度揺らぎを仮定]
𝐸𝑀𝐼𝑆𝑀 = 𝐿 (∆𝑛𝑒 2 )𝐿 = 𝐿𝑑3 𝑘 𝑃𝑛𝑒 𝑘

4𝜋 3 2 −113~𝐿𝑘 𝐶𝑛 𝑘
3~𝟏𝟎−𝟒 [𝐩𝐜/𝐜𝐦𝟔 ]≪ 𝟒 × 𝟏𝟎𝟔 𝐩𝐜/𝐜𝐦𝟔⇒典型的な星間プラズマでは観測値を説明困難⇒パルサー近傍のプラズマ構造?

21𝐸𝑀𝑓4[Armstrong et al. (1995)]
𝑷𝒏𝒆 𝒌 ~𝑪𝒏 𝟐 𝒌−𝟏𝟏𝟑

Dispersion効果の詳細な検証

EM項の調査により、パルサー近傍のプラズマ密度構造に迫れる可能性◎マイクロ秒～ナノ秒の構造を持つ
GRPは、到来時刻差の精密な調査に最適◎広帯域であるほど精密決定可能⇒SKAを用いた広帯域同時観測に期待本グループの観測におけるカニパルサーGRPの到来時刻差比較

DM = 56.764 pc/cm3
EM = 0 pc/cm6

本グループの観測におけるカニパルサーGRPの到来時刻差比較

DM = 56.764 pc/cm3
EM = 0 pc/cm6

本グループの観測におけるカニパルサーGRPの到来時刻差比較

DM = 56.764 pc/cm3
EM = 0 pc/cm6
観測所間の受信機内部遅延、記録系の時計のずれ等の較正に難しさ⇒SKAによる広帯域同時観測で改善可能?

SKAでどの程度のEMまで検証可能か?
高周波数帯 (SKA-mid)のGRPを用いてまずDMを決定、そのDMを用いて低周波数帯(SKA-low)のGRPとの到来時刻差を比較し、EMを決定する。
DMが誤差δDMで決定したとすると、

δDM=0.001 pc/cm3とし、fmin=0.05 GHz, fmax=0.30 GHzより、SKAでのEM項検出に要求される時刻精度∆𝑡𝐸𝑀 = 0.25 × 10−12 𝑠 𝑓1,𝐺𝐻𝑧 −4 − 𝑓2,𝐺𝐻𝑧 −4 𝐸𝑀𝑝𝑐/𝑐𝑚3

SKAの帯域で、EM = 4 ×106 pc/cm6の場合に生じる遅延量
SKA1-mid band1 (0.35-1.05GHz) : 65μs
SKA1-mid band2 (0.95-1.76GHz) : 1.1μs
SKA1-mid band3 (1.65-3.05GHz) : 0.12μs(SKA1-low : 159ms)
高周波数帯での到来時刻差比較においては、≲100nsの分解能での観測が必要[cf. SKA1-midにおけるpulsar timing modeの時間分解能 : 100ns](SKA1 System Baseline Designより)

SKAを用いた高密度プラズマ領域の検証
広帯域受信可能なSKAを使えば、ダイナミックスペクトル上で理論線をfitし、EM項を直接検証できる可能性がある(⇔ただし、パルス強度が十分強いものに限られる)Summary・マイクロ秒～ナノ秒の構造を持つGRPの多周波同時観測による到来時刻差の精密な調査⇒パルサー近傍のプラズマ密度構造に迫れる可能性⇒パルサーでの粒子生成・加速機構への手掛かり
・広帯域受信可能なSKAでは、先行研究より更に小スケール(密度、サイズ)の構造に迫れる可能性がある

・到来時刻差決定には≲100nsの時間分解能での観測が必要である