Pulsar magnetospheres and intra - pulse variability by plasmoid formation
Atarca manyetosferleri ve plazmoid oluşumu kaynaklı atım - arası değişkenliği
- Tez No: 917694
- Danışmanlar: PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 133
Özet
Süpernova patlaması geçirmiş büyük kütleli yıldızların kalıntıları olan pulsarlar, yoğun manyetik alanlara sahip hızla dönen nötron yıldızlarıdır. Bu gök cisimleri, yoğun madde fiziği, güçlü alan kütleçekimi ve göreli plazma süreçleri de dahil olmak üzere aşırı koşullar altında fiziği incelemek için doğal laboratuvarlar olarak hizmet eder. Güçlü manyetik alanların hakim olduğu ve elektron-pozitron plazmasıyla dolu manyetosferleri, radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar uzanan geniş bir elektromanyetik yayılım spektrumuna yol açan karmaşık dinamikler sergiler. Gözlemlenen çeşitli fenomenler arasında, alt-atım gibi atımlar içi yapılar da dahil olmak üzere atımdan atıma değişkenlik, altta yatan plazma süreçleri ve yayılım mekanizmaları hakkında kritik bilgiler sunmaktadır. Kapsamlı araştırmalara rağmen, bu değişkenliğin kesin kökenleri tam olarak anlaşılamamıştır ve pulsar astrofiziğinde önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Bu tez, pulsar manyetosferlerinde manyetik yeniden bağlanmanın neden olduğu plazmoid oluşumunun rolünü ve bunun atım içi değişkenlik üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Eş-dönüş hızının ışık hızına eşit olduğu ışık silindiri yarıçapının ($\rlc$) ötesindeki akım tabakasında manyetik yeniden bağlanma, plazma ve manyetik alanlardan oluşan tutarlı yapılar olan plazmoidlerin oluşumuna yol açabilen temel bir plazma sürecidir. Yeniden bağlanmanın aralıklı doğası ve plazmoidlerin hiyerarşik birleşmesi, yayılan radyasyonda önemli dalgalanmalar yaratabilir ve potansiyel olarak gözlemlenen darbeden darbeye değişkenliği ve alt darbe olaylarını açıklayabilir. Bu hipotezi araştırmak için \texttt{ZELTRON} kodunu kullanarak ekvator düzlemiyle sınırlı ortogonal bir pulsar manyetosferi modelleyen iki boyutlu hücre içi parçacık (PIC) simülasyonları kullanıyoruz. Simülasyonlar bölünmüş bir manyetik monopol konfigürasyonu ile başlar ve elektron-pozitron plazması ile dolu yarı-kararlı durum kuvvet içermeyen bir manyetosfere dönüşür. Plazma nötron yıldızının yüzeyinden sürekli olarak enjekte edilir ve yüklü parçacıkların sürekli olarak tedarik edilmesini sağlar. Rüzgar akımı tabakası, manyetik yeniden bağlanmanın yırtılma kararsızlığını tetiklediği $\rlc$ ötesine uzanan iki ince Arşimet spirali olarak oluşur. Bu kararsızlık, akım tabakasının büyüme, birleşme ve dışa doğru yayılma süreçleriyle evrimleşen dinamik bir plazmoid zincirine parçalanmasına yol açar. Simülasyonlarımız, plazmoidlerin ağırlıklı olarak ışık silindirinin yakınında oluştuğunu ve daha sonra rölativistik hızlarda dışarı doğru hareket ettikçe hiyerarşik olarak büyüdüğünü ve birleştiğini ortaya koymaktadır. Plazmoidlerin boyut dağılımı $0.02 \rlc$ kadar küçük ölçekli yapılar ile nötron yıldızı yarıçapı ile karşılaştırılabilecek büyüklükte ($\sim 0,3 \rlc$) büyük ölçekli yapılara kadar değişmektedir. İstatistiksel analiz plazmoid boyut dağılımının, göreceli yeniden bağlanma süreçlerinde hiyerarşik birleşme için teorik tahminlerle tutarlı olarak, genişlikleri ile ters bir ilişki izlediğini göstermektedir. Bu dağılım, çok sayıda küçük plazmoidin daha az sayıda büyük plazmoidle bir arada var olduğunu ve yayılım özelliklerine farklı şekilde katkıda bulunduğunu göstermektedir. Simülasyon içindeki parçacıkları ve elektromanyetik alanları takip ederek sentetik sinkrotron yayılım profillerini hesaplıyoruz ve akım tabakasından kaynaklanan tutarsız yüksek enerjili yayılıma odaklanıyoruz. Sonuçlar, plazmoid oluşumunun ana atım profilinin üzerine bindirilmiş parlak alt atımlar olarak ortaya çıkan önemli atım içi değişkenliklere yol açtığını göstermektedir. Bu alt darbeler ağırlıklı olarak her atimin ön ucunda ortaya çıkmakta ve geniş bir akı ve süre aralığı sergilemektedir. Önemli bir bulgu, alt atım akısı ile pulsar fazındaki genişlik arasındaki orantıdır; bu da daha büyük plazmoidlerin daha parlak ve daha geniş alt atımlar ürettiğini gösterir. Bu ilişki, daha büyük plazmoidlerin daha fazla enerjik parçacık içermesi ve daha büyük bir açısal kapsamı işgal ederek gözlemlenen yayılıma katkılarını artırması nedeniyle ortaya çıkmaktadır. Alt darbelerin istatistiksel özellikleri, plazmoidlerin boyut dağılımı ile uyumludur ve alt darbelerin sayısı, akılarına ve genişliklerine bağlı bir güç yasasını takip eder. Bu ilinti, gözlemlenen atım içi değişkenliğin manyetosfer içindeki plazmoid oluşumu ve evrimi dinamikleriyle doğrudan bağlantılı olduğunu göstermektedir. Güç kanunu davranışı, çoğu alt darbenin zayıf ve dar olmasına rağmen, birleşme olayları yoluyla oluşan en büyük plazmoidlere karşılık gelen olağanüstü parlak ve geniş alt darbelerin gözlemlenmesinin önemli bir olasılık olduğunu göstermektedir. Daha ileri analizler, manyetik yeniden bağlanmanın aralıklı doğasının, akım tabakasının ışık silindiri yakınında kalınlaştığı ve plazmoid oluşumunu geçici olarak bastırdığı dönemlere yol açtığını göstermektedir. Bu sessiz dönemler yayılımın azalmasına neden olur ve bunu, gerilmiş akım tabakasının gecikmeli parçalanmasına karşılık gelen yoğun alt darbelerin yeniden ortaya çıktığı toparlanma aşamaları izler. Bu davranış yayılım profillerinde gözlenen genel değişkenliğe katkıda bulunur ve bazı pulsarlarda gözlenen sönümlenme ve mod değişiklikleri gibi olguları açıklayabilir. Çalışmamız test edilebilir birkaç öngörü sunmaktadır. İlk olarak, değişkenlikteki asimetri - esas olarak atımların ön uçlarında ortaya çıkan alt atımlarla - yüksek zaman çözünürlüklü gözlemler yoluyla araştırılabilir. Bu asimetri, akım tabakasındaki hızlanan plazmoidlerden gelen yayılımla ilişkili geometrik ve göreli etkilerden kaynaklanmaktadır. İkinci olarak, alt akım akısı ile genişlik arasındaki orantı, plazmoid kaynaklı değişkenlik modelini doğrulamak için ölçülebilir bir kriter sağlar. Bu ilişkiyi doğrulayan gözlemler, plazmoid dinamiklerinin atım içi değişkenlikten sorumlu olduğu hipotezini destekleyecektir. Üçüncüsü, alt atım akılarının öngörülen aralığı ve istatistiksel dağılımı, özellikle güçlü yüksek enerji yayılımlarına sahip atarcalarda gözlemsel doğrulama için ek yollar sunar. Bu bulguların sonuçları atımdan atıma değişkenliği açıklamanın ötesine uzanmaktadır. Manyetik yeniden bağlantı ve plazmoid dinamikleri, pulsar manyetosferlerinde parçacık hızlandırma ve yüksek enerjili yayılım süreçlerinde önemli bir rol oynayabilir. Yeniden bağlanma bölgelerinde parçacıkların etkin bir şekilde hızlandırılması, X-ışını ve gama ışını bantlarında atarcaların termal olmayan spektrumlarının gözlenmesine katkıda bulunabilir. Bu mekanizmaların anlaşılması, pulsar fiziğinin daha kapsamlı bir resmine katkıda bulunur ve manyetar patlamaları, aktif galaktik çekirdeklerdeki rölativistik jetler ve gama ışını patlamaları gibi benzer süreçlerin meydana geldiği diğer astrofizik sistemlerin modellerini aydınlatabilir. Bu araştırmanın devamında yapılabilecekler arasında manyetosferik dinamiklerin tüm karmaşıklığını yakalamak için simülasyonların üç boyuta genişletilmesi yer almaktadır. Üç boyutlu modeller akı halatı oluşumunun, bükülme kararsızlıklarının ve enlemsel değişimlerin plazmoid dinamikleri ve yayılım özellikleri üzerindeki etkisinin araştırılmasına olanak sağlayacaktır. Kendi içinde tutarlı çift üretimi ve radyasyon geri besleme mekanizmalarının dahil edilmesi, plazmanın yenilenmesini ve radyasyonun parçacık enerji dağılımları üzerindeki soğutma etkilerini hesaba katarak modellerin gerçekçiliğini artıracaktır. Ayrıca, farklı manyetik alan güçleri, dönme periyotları ve eğimler gibi bir dizi pulsar parametresinin araştırılması, pulsar popülasyonu genelinde bulguların evrenselliğini ölçebilir ve pulsar yayılımlarında gözlemlenen çeşitliliği açıklamaya yardımcı olabilir. Gözlemsel olarak, özellikle Yengeç gibi pulsarların optik ve X-ışını bantlarındaki yüksek zaman çözünürlüklü çalışmalar, bu tezde yapılan tahminleri test edebilir. Mikrosaniye zaman çözünürlüğüne sahip cihazlar, simülasyonlar tarafından öngörülen hızlı değişkenliği ve alt atım yapılarını tespit edebilir. Plazmoid kaynaklı değişkenlik modelini doğrulamak ve pulsar yayılım mekanizmalarına ilişkin anlayışımızı geliştirmek için teorisyenler ve gözlemciler arasında eşgüdümlü çabalar gereklidir. Bu tür işbirlikleri, farklı enerji bantlarındaki değişkenliği ilişkilendirmek için eşzamanlı çoklu dalga boyu gözlemlerini içerebilir ve yayılım süreçlerinin daha eksiksiz bir resmini sağlayabilir. Sonuç olarak bu tez, manyetosferdeki manyetik yeniden bağlanmanın neden olduğu plazmoid oluşumunun önemli etkisini göstererek atarcalardaki atım içi değişkenlik anlayışımızı geliştirmektedir. Bulgular, gözlemlenebilir yayılım özelliklerini şekillendirmede manyetosferik plazma süreçlerinin önemini vurgulamakta ve pulsar yayılımlarının karmaşıklığını daha da çözmek için gelecekteki çalışmalar için bir çerçeve sağlamaktadır. Teorik modeller ve gözlemsel veriler arasındaki boşluğu dolduran bu çalışma, pulsarların esrarengiz davranışlarını deşifre etmeye yönelik daha geniş çaplı çabalara katkıda bulunmaktadır. Elde edilen içgörüler sadece pulsar astrofiziğini değil, aynı zamanda evrendeki sıradışı ortamlardaki temel plazma süreçlerini anlamamızı sağlama, böylece yüksek enerjili astrofiziksel fenomenler hakkındaki bilgimizi artırma ve plazma astrofiziği alanına katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Pulsars are remnants of massive stars that have endured supernova explosions. They are rapidly rotating neutron stars with extraordinary magnetic fields. These celestial objects serve as natural laboratories for studying physics under extreme conditions that includes physics of dense matter, strong-field gravity, and relativistic plasma processes. Their magnetospheres are dominated by strong magnetic fields and populated by an electron-positron plasma. It exhibits complex dynamics that give rise to a broad spectrum of electromagnetic emissions which spans from radio waves to gamma-rays. Among the various phenomena observed, pulse-to-pulse variability offers critical insights into the underlying plasma processes and emission mechanisms. It also includes intra-pulse structures such as subpulses. The precise origins of this variability remain incompletely understood despite extensive research. It is posing a significant challenge in pulsar astrophysics. What is investigated in this thesis is the role of plasmoid formation induced by magnetic reconnection in pulsar magnetospheres and its impact on intra-pulse variability. Magnetic reconnection in the current sheet beyond the light-cylinder radius ($\rlc$) is a fundamental plasma process. It can lead to the formation of plasmoids—coherent structures consisting of plasma and magnetic fields. The intermittent nature of reconnection and the hierarchical merging of plasmoids can introduce significant fluctuations in the emitted radiation. It is potentially accounting for the observed pulse-to-pulse variability and subpulse phenomena. To examine this hypothesis, we employ two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations using the \texttt{ZELTRON} code, modeling an orthogonal pulsar magnetosphere restricted to the equatorial plane. The simulations begin with a split magnetic monopole configuration and evolve into a quasi-steady-state force-free magnetosphere filled with electron-positron plasma. Plasma is continuously injected from the neutron star surface, ensuring a sustained supply of charged particles. The wind current sheet forms as two thin Archimedean spirals extending beyond $\rlc$, where magnetic reconnection triggers the tearing instability. This instability leads to the fragmentation of the current sheet into a dynamic chain of plasmoids, which evolve through processes of growth, merging, and outward propagation. Our simulations expose that plasmoids are predominantly formed near the light cylinder and subsequently grow and merge hierarchically as they move out at relativistic speeds. The size distribution of plasmoids ranges from small-scale structures on the order of $0.02 \rlc$ to large entities comparable to the neutron star radius ($\sim 0.3 \rlc$). Statistical analysis indicates that the plasmoid size distribution follows an inverse relationship with their width. This is consistent with theoretical predictions for hierarchical merging in relativistic reconnection processes. This distribution suggests that a multitude of small plasmoids coexist with fewer large ones, contributing differently to the emission characteristics. We compute synthetic synchrotron emission profiles by tracking particles and electromagnetic fields within the simulation. Our computation focuses on the incoherent high-energy emission originating from the current sheet. The results demonstrate that plasmoid formation leads to significant intra-pulse variability. This variability is manifested as bright subpulses superimposed on the main pulse profile. The subpulses predominantly appear on the leading edge of each pulse and exhibit a broad range of fluxes and durations. A key finding is the proportionality between subpulse flux and width in pulsar phase. This correlation indicates that the larger plasmoids produce brighter and broader subpulses. This relationship arises because larger plasmoids contain more energetic particles and occupy a greater angular extent. It enhances their contribution to the observed emission. The statistical properties of the subpulses align with the plasmoid size distribution with the number of subpulses following a power-law dependence on their flux and width. This correlation suggests that the observed intra-pulse variability is directly linked to the dynamics of plasmoid formation and evolution within the magnetosphere. The power-law behavior indicates that there is a significant probability of observing exceptionally bright and wide subpulses. This corresponds to the fact that the largest plasmoids formed through merging events while most subpulses are weak and narrow. Advanced analysis shows that the intermittent nature of magnetic reconnection leads to episodes where the current sheet thickens near the light cylinder. It temporarily suppresses plasmoid formation. These quiet periods result in reduced emission and are followed by recovery phases. The intense subpulses reappear in the recovery phases and this corresponds to the delayed fragmentation of the stretched current sheet. This behavior contributes to the overall variability observed in the emission profiles. It may explain observed phenomena such as nulling and mode changes in some pulsars. Our study offers several testable predictions. Firstly, the asymmetry in variability which can be with subpulses appearing mainly on the leading edge of pulses can be investigated through high-time-resolution observations. This asymmetry arises from the geometric and relativistic effects associated with the emission from the accelerating plasmoids in the current sheet. As a second prediction, the proportionality between subpulse flux and width provides a measurable criterion to validate the plasmoid-induced variability model. Observations confirming this relationship would support the hypothesis that plasmoid dynamics are responsible for intra-pulse variability. And as third, the predicted range of subpulse fluxes and their statistical distribution offer additional pathways for observational verification. These can be particularly about pulsars with strong high-energy emissions. The implications of these findings extend beyond explaining pulse-to-pulse variability. Magnetic reconnection and plasmoid dynamics may play a significant role in particle acceleration and high-energy emission processes in pulsar magnetospheres. The efficient acceleration of particles within reconnection sites could contribute to the observed non-thermal spectra of pulsars in X-ray and gamma-ray bands. Understanding these mechanisms contributes to a more comprehensive picture of pulsar physics and can inform models of other astrophysical systems where similar processes occur, such as magnetar flares, relativistic jets in active galactic nuclei, and gamma-ray bursts. Future research directions include extending simulations to three dimensions to capture the full complexity of magnetospheric dynamics. Three-dimensional models would allow for the investigation of flux rope formation, kink instabilities, and the influence of latitudinal variations on plasmoid dynamics and emission properties. Incorporating self-consistent pair production and radiation feedback mechanisms would enhance the reality of the models by accounting for the regeneration of plasma and the cooling effects of radiation on particle energy distributions. In addition, checking a range of pulsar parameters such as different magnetic field strengths, rotation periods, and inclinations, could assess the universality of the findings across the pulsar population and help explain the diversity observed in pulsar emissions. Observationally, high-time-resolution studies in the optical and X-ray bands could test the predictions made in this thesis. Pulsars like the Crab in particular can be even better candidates due to the detailed observations made on them. Instruments capable of microsecond time resolution could detect the rapid variability and subpulse structures predicted by the simulations. Coordinated efforts between theoreticians and observers are essential to validate the plasmoid-induced variability model and refine our understanding of pulsar emission mechanisms. Such collaborations could involve simultaneous multi-wavelength observations to correlate variability across different energy bands, providing a more complete picture of the emission processes. To sum up, this thesis intends to advance our understanding of intra-pulse variability in pulsars by demonstrating the significant impact of plasmoid formation induced by magnetic reconnection in the magnetosphere. The findings highlight the importance of magnetospheric plasma processes in shaping observable emission characteristics It also provides a framework for future studies to further unravel the complexities of pulsar emissions. By bridging the gap between theoretical models and observational data, this work contributes to the broader effort of decrypting the enigmatic behaviors of pulsars. The insights gained have the potential to enlight not only pulsar astrophysics but also our understanding of fundamental plasma processes in extreme environments throughout the universe. This would also result in enhancing our knowledge of high-energy astrophysical phenomena and contributing to the field of plasma astrophysics.
Benzer Tezler
- Interaction between magnetized stars and disks
Manyetik yıldızlar ve diskler arasındaki etkileşim
MURAT METEHAN TÜRKOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
- Observational constraints on the torque acting on accreting pulsars
Kütle aktarımı yapan pulsarlarda torkun gözlemsel olarak kısıtlanması
GÖKÇE ÖZSÜKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
- Magnetarların x-ışın spektrumları: Modeller ve uygulamalar
X-ray spectra of magnetars: Models and applications
TOLGA GÜVER
Doktora
Türkçe
2008
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul ÜniversitesiAstronomi ve Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERYAL ÖZEL
PROF. DR. M. TÜRKER ÖZKAN
- An observational study of accreting millisecond x-ray pulsars: From accretion to the rotation powered stages
Milisaniye X-ışını pulsarlarının gözlemsel incelenmesi: Kütle aktarım evresinden radyo pulsarı evresine
CAN GÜNGÖR
Doktora
İngilizce
2016
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
PROF. DR. ERSİN GÖĞÜŞ
- Modeling the magnetosphere of neutron stars with numerical simulations
Nötron yıldızlarının manyetosferlerinin sayısal simülasyonlarla modellenmesi
SERCAN ÇIKINTOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ