Transcript 脉冲轮廓

脉冲星辐射机制和辐射区域
 Du Y. J., Qiao G. J., Han, J. L., Lee K. J. & Xu R. X. 2010, MNRAS, 406, 2671-2677 (model)
 Du Y. J., Han, J. L., Qiao G. J. & Chou C. K. 2011, ApJ, 731, 2 (vela)
 Du Y. J., Qiao G. J., Han, J. L. & Wang W. 2012, ApJ, 748, 84 (crab)
 Du Y. J., Qiao G. J. & Chen D. 2013, ApJ, 763, 29 (MSP)
报告人：杜源杰
空间中心
2013-08-22
报告内容
研究背景
Vela脉冲星射电和伽玛波段脉冲辐射
Crab脉冲星多波段（射电到TeV）辐射
毫秒脉冲星射电和伽玛波段脉冲辐射
总结
研究背景——脉冲星辐射
 2008年以前，人们只发
现七颗伽玛射线脉冲星；
 Fermi伽玛射线望远镜升
空以来，五年年时间里
已发现132颗伽玛射线脉
冲星，包括年轻脉冲星
和毫秒脉冲星
 这为我们深入研究脉冲
星的高能辐射带来了前
所未有的机遇和挑战。
背景介绍——脉冲星辐射物理
脉冲辐射的物理图像
主要的研究问题：辐射区域和辐射机制
Yong Pulsar
MSP
J0437-4715
J0101-6422
J0034-0354
P1
伽玛射线脉冲轮廓
两个尖锐的主峰，P1的
宽度比P2的窄
P1与P2的相位间隔为
0.42，P1/P2 随能量变化
在桥辐射中间有第三个峰
(P3)，它的强度和相位位
置也随着能量的变化而变
化
P3
P2
Vela脉冲星的 GeV 相位平均谱
Hyper-exponential power law cut-off
Crab——多波段脉冲轮廓
双峰
“桥辐射”
相位对齐
Crab——TeV 脉冲轮廓
Crab：50-400 GeV 谱
Crab——相位平均谱
Kuiper et al. 2001, A&A, 378, 918
Fermi data
研究背景——毫秒脉冲星分类
MSP
Radio Lag
J0034-0534
J0101-6422
J0437-4715
J1744-1134
研究背景 —— J0034-0534
• Phase aligned
研究背景 —— J0101-6422
Moderate radio phase lag (Δ ∼ 0.2–0.3)
研究背景 —— J0437-4715
Larger radio lag (Δ ∼ 0.43)
研究背景 —— J1744-1134
γ -ray peak precedes the radio peak
脉冲星高能辐射模型
 外间隙模型 (Cheng、Romani)
 极冠模型 (Harding)
 双极交脊模型 (Dyks)
 狭长间隙 (Harding)
 环间隙模型 (Qiao)
 分离层模型 (Bai)
极冠模型（Vela）
Daugherty & Harding 1996
 辐射高度：
2—3 中子星半径
 很小的磁倾角：
α非常小，接近
于正转子
外间隙模型（Vela）
Romani & Yadigaroglu 1995
• 同时给出了伽玛射线、X射线
和射电脉冲轮廓
• 伽玛射线辐射（P1和P2）来
自于一极；而射电辐射来自
于另一极的极冠区
Comments from Lommen et al. 2007
“Our results imply a connection
between the radio and X-ray
emission mechanisms for Vela
that is not consistent with outer
gap model … It is not clear how a
correlation could exist between
the radio and high energy regimes
in these models”.
双极交脊模型（Vela）
Dyks & Rudak 2003
静态偶极场
rmax< 0.95RLC
Caustics in water
修正的双极交脊（Vela）
Fang & Zhang 2010, ApJ
Retarded dipole field
Yu, Fang & Jiang 2009
环区和核区
Ruderman & Sutherland 1975
 环间隙模型最早是由Qiao et
al. (2004)提出的。
 临界磁力线critical field
line把整个开放磁力线区域
分成了核区core gap和环区
annular gap两个部分。
 环区的半径对于短周期的年
轻和毫秒脉冲星而言是更大
的，因此这个区域是个理想
的“加速器”，它有足够高
的电势差来加速带电粒子从
而产生各个波段的脉冲辐射。
轮廓模拟的思路
rN (0)
Re (α,ψ)
Central
Emission height
α,ψ
rN (ψ)
θnull (α,ψ)
rs(ψ)  λκ rN(ψ)  (1  λ)κ rN(0)
Gaussian distribution
I ( , ) 
Io
2
Aberration
retardation
View angle
I(φ,ζ)
256 bins of φandζ
exp[ 
(l  l 0)
2
Project onto
the sky
I(φ0,ζ0)
2
2
]
轮廓模拟的详细步骤
划分极冠区
投影到天球上的辐射强度
辐射方向
辐射相位
脉冲轮廓
StepⅠ: 划分极冠区
Dividing polar cap
Projected intensity
Emissiom direction
Emission phase






磁倾角α: 70 deg
Core Gap
视线角ζ: 64 deg
临界磁力线 θN (ψ)
最后开放磁力线 θP (ψ)
磁力线的“足点（footpoint）”
环区和核区各分为 40 个圈 （rings）
Annular Gap
Light curve plotting
Torus
ζ
fitting
(Ng & Romani 2008)
PA fitting
α
β
(Johnston 2005)
StepⅡ：投影到天球上的辐射强度
Dividing polar cap
Projected intensity
Emissiom direction
Emission phase
Light curve plotting
两个高斯分布的强度用来计算投影的
辐射强度：
• 每条磁力线上的强度有一个高斯分布
(参数: κ,λ,σarc_AG,σarc_CG, ratio, I1, I2 , ICG)
• 在同一磁力线平面(ψ)内的一簇磁力
线上最强的辐射强度遵循另一个高斯
分布：
(参数: σpeak_AG,σpeak_CG)
• 环区和核区所用参数略微不同。
Step Ⅲ: 辐射方向
Dividing polar cap
磁坐标系中磁力线上每点的辐射方向nB
Projected intensity
Tα
Emissiom direction
Emission phase
共转自转轴坐标系中的方向nspin
Light curve plotting
光行差效应
观察者坐标系中的方向 nobserver = {nx, ny, nz}
 0  arctan(n
2
2
2
/n
)


arccos(n
/
n

n

n
)
0
z
x
y
z
y
x
Step Ⅳ: 辐射相位
Dividing polar cap
Projected intensity
Emissiom direction
Emission phase
Light curve plotting
• 辐射高度差效应（Retardation effect）
需要用来修正上一步得到的相位φ.
• 由于光子在不同的位置上产生后，需要运行
不同的时间才能飞出磁层，因此就会有一个
相位差Δφret 。这会导致在更高位置上产生
的光子会先到达地球。
• 最终的相位为 φ= φ0 -Δφret 。
  ret  r cos(     ) / R LC
Wang et al. 2006
Step Ⅴ: 脉冲轮廓
Dividing polar cap
Projected intensity
Emissiom direction
Emission phase
Light curve plotting
 在环间隙和核间
隙框架下，Vela
脉冲星多波段的
模拟轮廓（黑色
实线256 bins）
与观测轮廓（红
色实线）
 P1和P2来自于环
区，P1的辐射高
度略低于P2
 P3 和桥辐射来自
于核区
射电相位超前
环间隙模型可以解释
射电峰比P1相位超前
约0.13。
射电辐射产生于环区
（比伽玛射线辐射）
更高更窄的辐射区。
单极的环间隙和核间
隙模型就能解释Vela
的伽玛射线辐射和射
电辐射。
环间隙加速电场(E‖)产生
• 产生的原因：在光速圆柱半径附近，磁流管中的带电
粒子由于不能随中子星共转而逃逸出磁层。为了保持
整个系统的电中性，中子星必须补偿所逃逸的带电粒
子，当这些粒子流动时，由于偏离了当地的GJ电荷密
度，故平行与磁力线方向的电场因此而产生。
• 电流回路闭合: 环区和核区输出电荷符号相反的带电
粒子。
E‖计算
微磁流管（beamlet）
逃逸高度：r1 = RLC
逃逸粒子的电荷密度:
 b ( r1 )   GJ ( R LC )
Ω
RLC
E‖计算结果
• 粒子数守恒和磁
通量守恒
• 泊松方程：
初级粒子的能谱
 流动初级粒子的数密度为：
 当加速电场与曲率辐射相平衡时，洛伦兹因子为
 初级粒子的能谱一般为幂律谱 dN/dγ＝N0 γ-a
确定辐射高度
 P1：高度分布范
围小
 P3 + bridge：
高度分布范围广
 P2：高度分布范
围广，但由于光
性差效应和辐射
高度差效应被压
缩
同步－曲率辐射谱
投射角
初级粒子的同步曲率辐射谱：
Du Y. J., Han, J. L., Qiao G. J. & Chou C. K.
2011, ApJ, 731, 2
模拟的脉冲轮廓
在环间隙和核间隙框
架下，Vela脉冲星多
波段的模拟轮廓（黑
色实线，256 bins）
与观测轮廓（红色实
线）
P1和P2来自于环区，
P1的辐射高度略低于
P2
P3和桥辐射来自于核
区
射电相位超前
环间隙模型可以解释
射电峰比P1相位超前
约0.13。
射电辐射产生于环区
（比伽玛射线辐射）
更高更窄的辐射区。
单极的环间隙和核间
隙模型就能解释Vela
的伽玛射线辐射和射
电辐射。
Vela 相位平均谱
 3个成份（P1、P2
和P3）的曲率同步
辐射
 位置确定：
P1: 0.62RLC, ψ=-110°
P2: 0.75RLC, ψ=131°
P3: 0.28RLC, ψ=-104°
 三个自由参数：
γmin、 γmax 、Ω
相位分离谱
• P1和P2：位于环区
的磁力线，投射角
较大，次级粒子的
同步辐射对<1GeV能
断的贡献不可忽略
• P3：位于核区的磁
力线，投射角小，
初级粒子曲率辐射
主导
发射率和辐射高度的关系
开放磁力线上每点的发射率并不是均匀的；它们在峰位置附近
近似呈高斯分布。
Du Y. J., Qiao G. J.,& Wang W. 2012, ApJ, 748, 84
Crab：radio-TeV
 >20GeV的脉冲辐射刚刚
被切伦科夫望远镜MAGIC
与VERITAS发现，相位对
齐的脉冲轮廓
 P1和P2来自于环区，各
波段的辐射高度相似导
致相位对齐的脉冲轮廓
 桥辐射来自于核区，核
区辐射贡献的大小取决
于视线角（ζ=63deg）。
Crab：全波段谱
• 100eV到10MeV：
次级电子对同步辐
射的贡献
• 100MeV到20GeV：
初级粒子同步辐射
和曲率辐射的贡献
• >20GeV:
次级电子对的逆康
普顿散射的贡献
毫秒脉冲星PSR J0034-0354
Du et al. 2013, ApJ, 763, 29
毫秒脉冲星PSR J0101-6422
Du et al. 2013, ApJ, 763, 29
毫秒脉冲星PSR J0437-4715
Du et al. 2013, ApJ, 763, 29
年轻脉冲星
Du et al. 2010, MNRAS, 406, 2671
毫秒脉冲星
Du et al. 2010, MNRAS, 406, 2671
脉冲辐射——小结
 在自洽的 环间隙模型 框架下，我们模拟的Vela、
Crab脉冲星多波段的伽玛射线脉冲轮廓、相位平均
谱和相位分离谱，可以较好的反映观测现象。
 环间隙模型很好的解释了Vela的P3（包括脉冲轮廓
和谱）的特征。
 环间隙模型还可以很好的解释毫秒脉冲星、Crab和
Vela射电相位问题。
 环间隙模型很好的解释了Crab甚高能（>100GeV）的
脉冲辐射问题。
 此研究方向已发表了四篇论文：一篇于2010年发表在MNRAS上；
另外关于Vela脉冲星（2011）、Crab脉冲星（2012）和毫秒
脉冲星（2013）的三篇论文均发表在ApJ上。
谢谢各位老师和同学！