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脉冲星在银河系内的分布

脉冲星在银河系内的分布. 国家天文台 王陈 2009 年 7 月 23 日. 摘 要. 银河系内的脉冲星分布 观测到的正常脉冲星的分布 观测到的毫秒脉冲星的分布 脉冲星的高速运动 观测到的脉冲星高速运动 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 踢出速度与自转的关系 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 银河系内脉冲星的内禀分布 脉冲星诞生率、演化和死亡线 光度分布和空间分布 脉冲星高速度对空间分布的影响 银道面附近的脉冲星分布. 脉冲星 P-Pdot 分布图. 脉冲星的种类 正常脉冲星 毫秒脉冲星 P < 100 ms Pdot < 1e-17

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脉冲星在银河系内的分布

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  1. 脉冲星在银河系内的分布 国家天文台 王陈 2009年7月23日

  2. 摘 要 • 银河系内的脉冲星分布 • 观测到的正常脉冲星的分布 • 观测到的毫秒脉冲星的分布 • 脉冲星的高速运动 • 观测到的脉冲星高速运动 • 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 • 踢出速度与自转的关系 • 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 • 银河系内脉冲星的内禀分布 • 脉冲星诞生率、演化和死亡线 • 光度分布和空间分布 • 脉冲星高速度对空间分布的影响 • 银道面附近的脉冲星分布

  3. 脉冲星 P-Pdot 分布图 • 脉冲星的种类 • 正常脉冲星 • 毫秒脉冲星 • P < 100 ms • Pdot < 1e-17 • AXP和SGR（磁星） • 周期长 5-12s • B*>1e14G • 高能辐射

  4. 脉冲星的种类 • 正常脉冲星 • 毫秒脉冲星 • P < 100 ms • Pdot < 1e-17 • AXP和SGR（磁星） • 周期长 5-12s • B*>1e14G • 高能辐射

  5. 脉冲星的种类 • 正常脉冲星 • 毫秒脉冲星 • P < 100 ms • Pdot < 1e-17 • AXP和SGR（磁星） • 周期长 5-12s • B*>1e14G • 高能辐射

  6. 摘 要 • 银河系内的脉冲星分布 • 观测到的正常脉冲星的分布 • 观测到的毫秒脉冲星的分布 • 脉冲星的高速运动 • 观测到的脉冲星高速运动 • 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 • 踢出速度与自转的关系 • 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 • 银河系内脉冲星的内禀分布 • 脉冲星诞生率、演化和死亡线 • 光度分布和空间分布 • 脉冲星高速度对空间分布的影响 • 银道面附近的脉冲星分布

  7. 观测到的正常脉冲星分布 • 现在总共观测到 约1700颗 正常脉冲星（估计银河系中脉冲星总数约为100,000颗） • 巡天观测主要是通过射电波段（如 400MHz，1400MHz 等） • 观测有很强的选择效应，如： • 平方反比率，越远的脉冲星越暗（S=L/d^2) • 银河系中心及另外半边（相对太阳）电子柱密度较大，星际色散（DM）和星际散射都很严重。

  8. 正常脉冲星的空间分布 1715颗正常脉冲星在银河系内的分布 银盘

  9. 脉冲星（ |b|<20°）沿银经的分布 正常脉冲星（ |b|<20°）在银盘上的投影分布 Sun perseus Carina Sagittanius Crux 在旋臂上有聚集效应 + Scutum Norma 选择效应：太远，或 DM太大，看不见 Kramer et al. 2003, MNRAS, 342,1299

  10. 脉冲星沿垂直于银盘方向（ z 方向）的分布 标高： 脉冲星：~ 300 pc 星族 I 恒星：50~100 pc -1.5 -1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 Z (kpc)

  11. 摘 要 • 银河系内的脉冲星分布 • 观测到的正常脉冲星的分布 • 观测到的毫秒脉冲星的分布 • 脉冲星的高速运动 • 观测到的脉冲星高速运动 • 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 • 踢出速度与自转的关系 • 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 • 银河系内脉冲星的内禀分布 • 脉冲星诞生率、演化和死亡线 • 光度分布和空间分布 • 脉冲星高速度对空间分布的影响 • 银道面附近的脉冲星分布

  12. 毫秒脉冲星(MSP)的分布 • 扣除球状星团中的 MSP，约有100颗。 • 周期小，难观测（星际色散、散射影响较大）。D<3kpc，或在球状星团中。 • 大部分在双星系统中，伴星一般质量较小 • 银盘投影密度28+-12kpc^-2 • 标高～500pc，与其前身LMXB基本吻合。 • L>0.3 mJy kpc^2的 MSP 约有 200000 颗。

  13. 毫秒脉冲星的分布：相对弥散较大 MS分布图 fromATNF

  14. 脉冲星的位置不是一直不变的！！运动得很快！脉冲星的位置不是一直不变的！！运动得很快！

  15. 233个脉冲星在银河系中的运动 圆圈表示脉冲星，线条表示预测的脉冲星在100万年内的运动轨迹（不考虑脉冲星径向速度） 银道坐标 Hobbs figure Hobbs et al. 2005, MNRAS, 360, 974

  16. 摘 要 • 银河系内的脉冲星分布 • 观测到的正常脉冲星的分布 • 观测到的毫秒脉冲星的分布 • 脉冲星的高速运动 • 观测到的脉冲星高速运动 • 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 • 踢出速度与自转的关系 • 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 • 银河系内脉冲星的内禀分布 • 脉冲星诞生率、演化和死亡线 • 光度分布和空间分布 • 脉冲星高速度对空间分布的影响 • 银道面附近的脉冲星分布

  17. 脉冲星速度及观测分布 • 可观测量： 自行（PM）：脉冲星在天空背景上投影位置的变化（角速度，单位：毫角秒每年，mas/yr） • 自行的观测方法： • 脉冲星测时（timing）观测可直接得到脉冲星在天空背景上的自行角速度。绝大多数脉冲星的自行都是用这种办法。（PA chapter 5） • 干涉阵测量脉冲星的星际闪烁限制其自行速度 （PA chapter 21.8） • 直接测量脉冲星位置随时间的变化。 注意：如果知道脉冲星到我们的距离，就可以算出其绝对自行速度Vperp（Km/s） • 自行速度Vperp只是天球面上的速度（垂直于视线方向）。

  18. Guitar Nebular （吉他星云）中的脉冲星 B2224＋65 的高速运动 B2224+65 V = 1640 (D/1.6 kpc) km/s

  19. 1994 2001 Vperp = 1640 (D/1.6 kpc) km/s 2001：外圈 1994： 内圈 Guitar Nebular （吉他星云）中的脉冲星 B2224＋65 的高速运动

  20. SNR G5.4-1.2附近脉冲星 1757-24 的高速运动

  21. 其它年轻脉冲星的高速运动 Bow shock: J0437-4715

  22. B1508+55 VLBA用三角视差法测量脉冲星的距离和速度 D = 2.37 +0.23-0.20 kpc PM = 96.6 mas/yr V = 1083 +103-90 km/s 位置随时间移动 （ P = 0.7397 s ）

  23. 233个脉冲星自行速度的2D分布(垂直视线方向速度）233个脉冲星自行速度的2D分布(垂直视线方向速度） 特征年龄 t_c < 3 Myr 所有233个脉冲星 毫秒脉冲星 正常脉冲星 （非recycled） <V2D>=246(22) Km/s <V3D> = 4<V2D>/ = 2<V1D> <V2D>=87(13) Km/s Hobbs et al. 2005, MNRAS, 360, 974

  24. 为什么脉冲星速度这么大？ • 脉冲星前身是OB型星，速度 ～ 30 Km/s • 脉冲星速度 100－500Km/s， 个别>1000 Km/s 问题？

  25. 摘 要 • 银河系内的脉冲星分布 • 观测到的正常脉冲星的分布 • 观测到的毫秒脉冲星的分布 • 脉冲星的高速运动 • 观测到的脉冲星高速运动 • 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 • 踢出速度与自转的关系 • 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 • 银河系内脉冲星的内禀分布 • 脉冲星诞生率、演化和死亡线 • 光度分布和空间分布 • 脉冲星高速度对空间分布的影响 • 银道面附近的脉冲星分布

  26. 脉冲星高速度的起源 • 可能原因： • 双星轨道破裂（超新星爆炸时发生） 一般只能产生不大于100Km/s的速度， 想得到更高的速度要求爆炸前双星距离非常小。 • 不对称超新星爆炸给予中子星踢出速度 可以达到1000Km/s以上。

  27. 不对称超新星爆炸导致脉冲星高速运动 火箭效应 SNR shell pulsar Core Vkick 不对称超新星爆炸给予中子星踢出速度

  28. V ～ 1600 Km/s L ~ 6.5 kly D ~ 0.015° T ~ 300 y 证据：成协的脉冲星/超新星遗迹系统 Guitar Nebular B2224+65 SNR

  29. L S Vkick S S S L 轨道进动 B star PSR J0045-7319 (P=0.93s, Porb=51 day) L 踢出速度和不对称爆炸的证据 • 脉冲星双星系统中的观测特性需要踢出速度的存在 • PSR J0045-7319双星系统 （pulsar/B-star） • PSR B1913+16和PSR J0737-3039 • 一些双星其系统速度很大，如X-ray双星Circinux X-1（V_sys > 500 Km/s），以及PSR J1141-6545 （V_sys ~ 125 Km/s）， • Be/X-ray双星的高偏心率，必须有kick速度的存在 • 超新星和超新星遗迹的直接观测证据 • 对SNe和SNRs的直接观测显示超新星爆炸非球对称 S L

  30. L S He star Vkick S L L S S PSR B (P=2.77 s) PSR J0737-3039A (P=22.7 ms) PSR 1913+16 踢出速度和不对称爆炸的证据 • 脉冲星双星系统中的观测特性需要踢出速度的存在 • PSR J0045-7319双星系统 （pulsar/B-star） • PSR B1913+16和PSR J0737-3039 （MSP/NS） • 一些双星其系统速度很大，如X-ray双星Circinux X-1（V_sys > 500 Km/s），以及PSR J1141-6545 （V_sys ~ 125 Km/s）， • Be/X-ray双星的高偏心率，必须有kick速度的存在 • 超新星和超新星遗迹的直接观测证据 • 对SNe和SNRs的直接观测显示超新星爆炸非球对称 S Orbital e=0.088, Porb=2.45h Systemic proper motion： Vkick>100 km/s L

  31. 踢出速度和不对称爆炸的证据 • 脉冲星双星系统中的观测特性需要踢出速度的存在 • PSR J0045-7319双星系统 （pulsar/B-star） • PSR B1913+16和PSR J0737-3039 • 一些双星其系统速度很大，如X-ray双星Circinux X-1（V_sys > 500 Km/s），以及PSR J1141-6545 （V_sys ~ 125 Km/s） • Be/X-ray双星的高偏心率，必须有kick速度的存在 • 超新星和超新星遗迹的直接观测证据 • 对SNe和SNRs的直接观测显示超新星爆炸非球对称 S L

  32. 踢出速度和不对称爆炸的证据 • 脉冲星双星系统中的观测特性需要踢出速度的存在 • PSR J0045-7319双星系统 （pulsar/B-star） • PSR B1913+16和PSR J0737-3039 • 一些双星其系统速度很大，如X-ray双星Circinux X-1（V_sys > 500 Km/s），以及PSR J1141-6545 （V_sys ~ 125 Km/s） • Be/X-ray双星的高偏心率，必须有kick速度的存在 • 超新星和超新星遗迹的直接观测证据 • 对SNe和SNRs的直接观测显示超新星爆炸非球对称 S L

  33. 踢出速度和不对称爆炸的证据 • 脉冲星双星系统中的观测特性需要踢出速度的存在 • PSR J0045-7319双星系统 （pulsar/B-star） • PSR B1913+16和PSR J0737-3039 • 一些双星其系统速度很大，如X-ray双星Circinux X-1（V_sys > 500 Km/s），以及PSR J1141-6545 （V_sys ~ 125 Km/s） • Be/X-ray双星的高偏心率，必须有kick速度的存在 • 超新星和超新星遗迹的直接观测证据 • 对SNe和SNRs的直接观测显示超新星爆炸非球对称 S L

  34. 脉冲星踢出速度的物理机制 • 三种主要机制 • 流体动力学驱动机制：不对称物质抛射 • 磁场－中微子驱动机制：不对称辐射 • 电磁驱动机制：偏心磁偶极子的不对称辐射

  35. ~107g/cm3 ~109.5K ~0.4M O Si Burning shells Fe core • 流体动力学驱动机制 • 塌缩核内质量分布不对称，使得超新星爆炸不对称，导致质量火箭效应（mass-rocket） • 不对称起源于爆炸前星核的超稳振荡（由壳层核燃烧驱动），如 非径向的g-mode 振荡，另外 O-Si包层中的强烈对流可能导致更大的不对称性。 • 振荡幅度在塌缩过程中可以增大5－10倍。 • 作用时标比较短， ～ 100 ms Seed for global asymmetry

  36. 中微子－磁场驱动机制 • 塌缩引力能的99%都是转化为中微子辐射出去 • 超强磁场导致不对称的中微子辐射，使得中子星获得反冲的kick速度（neutrino rocket） • 需要很强的初始磁场 （不小于1e15 G） • 作用时标～1s • 几种可能的作用方式： • 弱相互作用宇称不守恒 • 不对称的磁场强度分布 • 磁场动力学效应

  37. BN BS 1. 弱相互作用宇称不守恒 在强磁场中，中微子宇称相对于磁场方向是不对称的 不对称中微子辐射 要求磁场: Vkick ~ 50 B15 km/s 2. 不对称的磁场强度分布 中微子吸收系数取决于|B|，使得不同地方辐射的中微子强度不同。 要求 Vkick ~ 300 km/s 3. 磁场动力学效应 中微子驱动的对流会使某些区域会形成“暗斑”，导致辐射不对称。也要求磁场～1e+15 G 以上机制都要求: B>1015G

  38. 电磁驱动机制（Harrison & Tademaru effect， 1975） • 如果脉冲星的磁偶极子是偏心的，当其旋转时，磁偶极辐射会带走动量，从而对脉冲星有反冲作用，产生kick速度 • 发生在脉冲星诞生之后，时标非常长（107 s，不是“突然”的踢出） • Kick 速度取决于转动动能的损耗。 • 要求初始自转周期比较小（P_i < a few ms) Vkick = 1400 (1 ms/P_i ) Km/s Ω μ

  39. 如何限制踢出机制！ 踢出速度与其它物理量的关系

  40. 摘 要 • 银河系内的脉冲星分布 • 观测到的正常脉冲星的分布 • 观测到的毫秒脉冲星的分布 • 脉冲星的高速运动 • 观测到的脉冲星高速运动 • 不对称超新星爆炸导致脉冲星的高速运动 • 踢出速度与自转的关系 • 脉冲星动力学年龄与特征年龄的比较 • 银河系内脉冲星的内禀分布 • 脉冲星诞生率、演化和死亡线 • 光度分布和空间分布 • 脉冲星高速度对空间分布的影响 • 银道面附近的脉冲星分布

  41. 脉冲星踢出速度与自转的关系（spin-kick relation) • 与踢出速度相关的物理量有没有？？？ 有：脉冲星自转轴方向（spin） • 速度方向比较容易知道 • 脉冲星自转轴方向比较难以限制 三种测量（限制）spin方向的方法： • 利用年轻脉冲星星风云的形态来确定spin； • 利用脉冲星偏振轮廓数据来限制spin； • 对双星系统，可以通过其现在的轨道参数来限制spin-kick关系。

  42. Ψrot Ψrot V 利用年轻脉冲星星风云的形态来确定spin Chandra X射线望远镜对年轻脉冲星星风云的观测 Vela Crab V

  43. Wang, Lai & Han 2006, ApJ • 观测显示对这几颗年轻脉冲星，其自转轴方向与自行方向都比较一致 • 其初始周期 < 100 ms （除了J0538+2817） 数据太少，而且这种方法只对周围有脉冲星星风云的年轻脉冲星有效！

  44. 脉冲星偏振轮廓限制脉冲星自转轴投影方向 利用有S型偏振轮廓的脉冲星观测数据，我们得到24颗脉冲星自转轴投影方向以及 spin-kick 夹角. spin-kick 方向趋于一致 Wang, Lai & Han 2006, ApJ

  45. 脉冲星双星系统中限制Spin-kick关系方法与假设 • 两个假设: • 爆炸前轨道圆化和同步假设，即 • B星的爆炸不影响A星的质量和运动（爆炸瞬间） A B (He star) 爆炸前 B星SN爆炸 A 爆炸后 B (NS) θ为L_i与L_f的夹角；γ为V_k与L_i的夹角

  46. A 爆炸后 B (NS) • 关键是θ值（前后轨道角动量之夹角）的测量： • 掩食光变曲线  S_Bf与L_f的夹角。如对双脉冲星系统 PSR J0737-3039。 • 测地岁差（geodetic procession） S_Af与L_f的夹角， 因为S_Af //S_Ai // L_i  即为L_i与L_f的夹角θ

  47. 双中子星系统（NS/NS）：ms pulsar + NS，8个 • 脉冲星与大质量伴星（Pulsar/MS）系统：3个 • 年轻脉冲星与重白矮星伴星系统（Pulsar/MWD）：2个 • 大质量X射线双星（HMXB）：仅考虑高偏心率的HMXB，5个

  48. 计算结果：脉冲星/大质量伴星系统

  49. Pulsar/MWD e较大的HMXB

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