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マグネター磁場の 長期時間変動 Long term evolution of magnetar field 小嶌康史 (広島大学) Yasufumi Kojima/Hiroshima Univ. 高エネルギー宇宙物理学研究会2018 / High Energy Astrophysics 2018 Sept 5-7, 2018 University of Tokyo

マグネター磁場の 長期時間変動heap18/slides/13_Kojima.pdf · 2018-09-07 · マグネター磁場の 長期時間変動 Long term evolution of magnetar field 小嶌康史(広島大学)

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マグネター磁場の長期時間変動

Long term evolution ofmagnetar field

小嶌康史 (広島大学)

Yasufumi Kojima/Hiroshima Univ.高エネルギー宇宙物理学研究会2018 / High Energy Astrophysics 2018

Sept 5-7, 2018 University of Tokyo

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Magnetic field evolution of an isolated NS ?

Weak fields in an accreting binary system⇒ MS pulsars

Evolution of order 10^6-10^8 yearsOne of unsolved issues for a single NS

No definite observationStatistical argument/ model simulation

-> yes/no : No consensus

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Pulsar braking and the P–Pdot diagram

Johnston+ MNRAS, Volume 467, 1 2017

n=1

n=2.7

n=6

magnetic field decay?

decay of the inclination angle(Johnston+2017MN)

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PSRJ1734-3333

yrs4109.2 Magnetar in

Espinoza+ 2011

braking indices (second derivative)magnetic dipole radiation 3n

PSR J1846-0258Index change after outburst

Only for 8 PSRs

Archibald+ 2015

19.265.2 n

Exceptions?

135EBd

135EBd

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Evolution of magnetar fieldMagnetars only

(Strong B > 1014 G

Young< 104 − 105 yrs)

Energy supply

B= 1014 in 104 ys

L= 1047𝑒𝑟𝑔 /104 y

= 1036𝑒𝑟𝑔 /s

> 𝐿𝑅𝑜𝑡See also Beloborodov & Li (2016) ApJ for heating mechanism

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1. 非降着型NSの磁場

2017/11/23 Courtesy of Prof. Makishima NS_WS_MitakaNAOJ

© Toshio Nakano3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Lo

g D

ipo

le M

agnet

ic F

ield

(T

)

Log Characteristic Age (yr)

IsolatedBinariesMagnetars

In SNRs

1E 2259

Crab

Bcr

16

14

12

10

8

log (

Dip

ole

MF

) (G

) fr

om

P

and

Pd

ot

=P/2Pdot

マグネターの磁場は減衰する。

電波パルサーの磁場も減衰するかに見える、しかし…

これらは実は極めて若い弱磁場のNS。

この空隙は、選択効果(death line) のため。

NSの磁場は、永久電流が担うのではなく、中性子のスピン整列による核物質強磁性の結果か。誕生時の微小な質量差などで強磁性と常磁性が分かれ、強磁性相もある時点で常磁性に相転移するのでは (Makishima+99, Makishima 03,16)。

降着による磁場減衰(Sibazaki+89)

ミリ秒パルサーは明らかに異なる集団を形成。

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Evolution of magnetar field

Working hypothesisEvolution only for strong field (>1014 G ) & young (< 10 thousand years) regimes

I think two important keys, strong B & short TStrong B-> Nonlinear effect of B

ambipolar diffusion in core/Hall drift in crustOnly for young age-> Thermal history/cooling NS

Magnetic field is fixed, when dominated

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Energetics for a magnetar

Order-of-magnitude estimate 𝐵 = 1015𝐺 ∝ (𝑃 ሶ𝑃)1/2

𝐸𝑚𝑎𝑔≈ 1047(𝐵15)2, 𝐸𝑔𝑟 ≈ 1053, 𝐸𝑟𝑜𝑡 ≈ 1045 ergs

𝐸𝑇≈ 1047 (𝑇𝑐 9)2(@t=kyrs) ergs

Stellar structure determined by gravity and degenerate pressure

Small (non-spherical) irregularity

Barotrope is good approximation, but is not exact

Initial magnetic field structure is never ‘ground state’

2

15

6 )(105/ BEE grmag

vvfpBj S

)(pp

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Some recent works

• CoreBeloborodov & Li (2016) ApJ

Passamonti + (2017)MNRAS

Gusakov+ (2017,18) MNRAS,PRD

• Crust

-> coupling to magnetosphereAkgun + (2017,18) MNRAS

• MagnetosphereGlampedakis+(2014) Fujisawa&Kisaka(2014),Pili+(2015-), …

YK+(2017,2018) MNRAS

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n-p-e system in core

• Creation/dissipation of current by non-equilibrium beta-process 𝑛 → 𝑝 + 𝑒 + 𝑣

𝑝 + 𝑒 → 𝑛 + 𝑣

∇(𝑛𝑘𝑣𝑘) = 0 → ∇ 𝑛𝑘𝑣𝑘𝑣 = 𝛾𝑘

∇( 𝑒𝑘𝑛𝑘𝑣𝑘) = 0 → ∇( 𝑒𝑘𝑛𝑘𝑣𝑘) ≠ 0

Evolution𝜕𝑡𝐵 = −∇ × 𝐸

𝐸 = −𝑣 × 𝐵 + 𝑗 × 𝐵/𝑒𝑛𝑒 +𝜎−1𝑗+k∇𝛿𝜇𝑛 × 𝐵 − ∇𝛿𝜇𝑒 /𝑒

Multi-components + multi-dimensions are importantnot ‘grad’ but ‘rot (cur)’ fields

+ super-fluid

∝ 𝑣_𝑛 − 𝑣_𝑝

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Decay time scale of magnetic fields in core IM. E. Gusakov, E. M. Kantor, and D. D. Ofengeim

Phys. Rev. D 96, 103012

Modified URCA𝑛 + 𝑛 → 𝑛 + 𝑝 + 𝑒 + 𝑣𝑛 + 𝑝 + 𝑒 → 𝑛 + 𝑛 + 𝑣

T<1kys

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Direct URCA𝑛 → 𝑝 + 𝑒 + 𝑣𝑝 + 𝑒 → 𝑛 + 𝑣

T<1kys

Decay time scale of magnetic fields in core IIM. E. Gusakov, E. M. Kantor, and D. D. Ofengeim

Phys. Rev. D 96, 103012

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Comment

• Timescale of B field evolution estimated

1-10 kyr

?Hopefully mass of magnetar by evolution

✓Depending on initial configuration(irregularity)

-> ambiguity

✓Long-term simulation for multi-components in 2 or 3D space

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Magnetic field evolution in crustby Hall effect

In dynamical timescale=>MHD equilibrium (n,p)

Not Hall equilibrium (e)

Evolution of magnetic field in a longer timescale

Important for strong B and in small scaleModels Virgono + 2012,Gourgouliatos + 2014, Y.K.+2012,…

14

0 pBj

0)/()(

)(),/(

1

eet

etee

enpenB

BvBenjv

yrsBLcBLen kmeH

1

15

2

1.0

3

0

2 )()(10/4

22

2

15

6

)/(/

10

Alfdyn ttpB

B

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Coupling between crust and magnetosphere Long-term evolution of the force-free twisted magnetosphere of a

magnetarAkgun + Mon Not R Astron Soc. 2017;472

Initial 10^3 yrs

Crust enlarged for display

1 k yrs

Burst/Flare∆E ≈0.4× 𝐸𝑚𝑠,14

≈ 1044𝑒𝑟𝑔

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Comment

• ? Explosion at 1kyrs

E=10^44 ergs @Bs=10^14G

• Or breakdown of the model

?BC at interface

?Initial model

?...

Burst/Flare∆E ≈0.4× 𝐸𝑚𝑠,14

≈ 1044𝑒𝑟𝑔

∆E = E𝑚𝑎𝑥 −E𝑣𝑎𝑐

Open field for ∆E

E𝑣𝑎𝑐>0.66

∆EBurst ≈ E −E𝑜𝑝𝑒𝑛

Wrong estimateTheoretically Impossible

Magnetosphere

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TWISTING, RECONNECTING MAGNETOSPHERES Parfrey+(2012,2103) ApJ

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Magnetic energy for open field

Plasma ejectionat explosion

Structure with a rope

Eclosed < Eopen

Maximum energy of magnetar flare?Possible transition through opening field?

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Force-Free Magnetosphere

Low-beta-plasma in magnetosphere

Force-free cond.

Nonlinear partial diff eqn. (GS eqn.)

pcmgB 382

15 /10)(

BjBj

//0

')( SSGD

G: Magnetic flux/Poloidal comp.

S: Current stream/Toroidal comp.

)( nG

Present model

),( BBA r

),( jjB r

Lüst & Schlüter 1954; Chandrasekhar 1956; Chandrasekhar & Prendergast 1956; Prendergast 1956; Shafranov 1957;Grad & Rubin 1958

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Quasi-static evolution

A sequence of equilibrium solutions

Axisymmetric model

Increasing twist in a long timescale

>> dynamical one

A flux rope detached

20

G Magnetic field lines

B

Model of n=7 and M/R=0.25

),( r plain

Kojima 17 MN / 1703.02273

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Results in flat spacetime

Pure dipole Highly twisted structure with n=7 Flat spacetime

21

0BBStrong

2.0/ 0 EE

Twisting

Kojima 17 MN / 1703.02273

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Magnetosphere in relativistic model

22

Pure dipole Highly twisted structure with n=7

In curved spacetime M/R=1/4

0B BStrongTwisting

X Ep

* Et

HelicityLoop

2)/( max0 EE

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Results

Relativistic factor M/R.

max

open

potential M/R=0.2openEE max

M/R=0.25.

excess

excess

Kojima+18 1801.06292 / MN

Energyincreases with twist

A flux rope

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Summary and Discussion

• Formation of flux rope in a relativistic system• Larger energy stored in Magnetosphere

Flat curved Τ∆𝐸 𝐸0<0.2 Τ∆𝐸 𝐸0<2

∆𝐸𝑚𝑎𝑥 ≈ 2 × 1046 (𝐵15)2 ∆𝐸𝑚𝑎𝑥 ≈ 2 × 1047 (𝐵15)

2

Enough energy and possibly opening • Maximum helicity (or twisted) state• Transition between two states => Flare?Relativity is important in magnetars, and the expulsion of

magnetized flux rope is related to their activity.

Other mechanism for rope formationConfinement of current / large n or external vacuum models

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Effect of GR

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Important GR effect

Magnetic function, current, ‘GR-induced current’, sum

Covered by negative current

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Fate of magnetic flux rope and GW?

Huge energy ∆𝐸𝑚𝑎𝑥 ≈ 2 × 1047 (𝐵15)2 stored in

magnetosphere GW radiation with 1047 ergs ?

REF Internal mag. reconfiguration

Ioka (2001) Corsi &Owen (2011)Kashiyama & Ioka (2011)

Ciolfi+(2012),Zink+(2012) MHD simulation

….. 27

ergs4910

ergs4948 1010

Important to judge total energy by GW astro.

2

15

40 )(10 BEGW

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Fate of magnetic flux rope and GW?

GW for an external origin ∆𝐸𝐺𝑊 ≈ Τ∆𝐸𝐸𝑀 𝐸𝐺𝑅 × ∆𝐸𝐸𝑀 , (𝐸𝐺𝑅= Τ𝑀2 𝑅~𝑀)✓ Ejection of ring, GW burst

∆𝐸𝐺𝑊 ≈ 2 × 1038 (𝐵15)4

✓ Bombard, Excitation of f-mode∆𝐸𝐺𝑊 ≈ 8 × 1038 (𝐵15)

4

ℎ𝑐~ 3 × 10−24@10𝑘𝑝𝑐-> 3rd generation of GW observatory

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Final remarks

Magnetar as unique object to exhibit magnetic field variation.

Big challenge to understand phenomena there.

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