1 / 49

报告人：杜源杰 空间中心 2013-08-22

2013 年脉冲星讲习班. 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)

pomona
Télécharger la présentation

报告人：杜源杰 空间中心 2013-08-22

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 2013年脉冲星讲习班 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

  2. 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

  3. 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。

  4. Yong Pulsar MSP J0437-4715 J0101-6422 J0034-0354 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 Crab Vela Geminga

  5. P2 P1 Vela P3 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

  6. Vela脉冲星的 GeV 相位平均谱 Hyper-exponential power law cut-off

  7. Crab——多波段脉冲轮廓 • 双峰 • “桥辐射” • 相位对齐

  8. Crab——TeV 脉冲轮廓

  9. Crab：50-400 GeV 谱

  10. Kuiper et al. 2001, A&A, 378, 918 Fermi data Crab——相位平均谱

  11. MSP J0034-0534 J0101-6422 J0437-4715 J1744-1134 研究背景——毫秒脉冲星分类 Radio Lag

  12. 研究背景—— J0034-0534 • Phase aligned

  13. 研究背景—— J0101-6422 Moderate radio phase lag (Δ ∼ 0.2–0.3)

  14. 研究背景—— J0437-4715 Larger radio lag (Δ ∼ 0.43)

  15. 研究背景—— J1744-1134 γ -ray peak precedes the radio peak

  16. 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)

  17. 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

  18. 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 Velathat 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”.

  19. Caustics in water 双极交脊模型（Vela） Dyks & Rudak 2003 静态偶极场 rmax< 0.95RLC

  20. Yu, Fang & Jiang 2009 修正的双极交脊（Vela） Fang & Zhang 2010, ApJ Retarded dipole field

  21. 环区和核区 • 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。 Ruderman & Sutherland 1975

  22. rN (0) Re (α,ψ) Central Emission height α,ψ rN (ψ) θnull (α,ψ) Gaussian distribution Gamma-ray Profile View angle Aberration retardation Project onto the sky 256 bins of φandζ I(φ0,ζ0) I(φ,ζ) 轮廓模拟的思路

  23. 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

  24. Core Gap Annular Gap Torus fitting ζ (Ng & Romani 2008) PA fitting α (Johnston 2005) β StepⅠ: 划分极冠区 • 磁倾角α: 70 deg • 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） Dividing polar cap Projected intensity Emissiom direction Emission phase Light curve plotting

  25. Dividing polar cap Projected intensity Emissiom direction Emission phase Light curve plotting StepⅡ：投影到天球上的辐射强度 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。

  26. Dividing polar cap Projected intensity Emissiom direction Emission phase Light curve plotting Step Ⅲ: 辐射方向 磁坐标系中磁力线上每点的辐射方向nB Tα 共转自转轴坐标系中的方向nspin 光行差效应 观察者坐标系中的方向 nobserver = {nx, ny, nz}

  27. Dividing polar cap Projected intensity Emissiom direction Emission phase Light curve plotting Step Ⅳ: 辐射相位 • 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 。 Wang et al. 2006

  28. Dividing polar cap Projected intensity Emissiom direction Emission phase Light curve plotting Step Ⅴ: 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

  29. 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。

  30. 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。

  31. Ω RLC E‖计算 • 微磁流管（beamlet） • 逃逸高度：r1 = RLC • 逃逸粒子的电荷密度:

  32. E‖计算结果 • 粒子数守恒和磁通量守恒 • 泊松方程：

  33. 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

  34. 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

  35. 同步－曲率辐射谱 投射角 初级粒子的同步-曲率辐射谱：

  36. 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

  37. 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。

  38. 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

  39. 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

  40. 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。

  41. 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）。

  42. 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

  43. 毫秒脉冲星PSR J0034-0354 Du et al. 2013, ApJ, 763, 29

  44. 毫秒脉冲星PSR J0101-6422 Du et al. 2013, ApJ, 763, 29

  45. 毫秒脉冲星PSR J0437-4715 Du et al. 2013, ApJ, 763, 29

  46. 年轻脉冲星 Du et al. 2010, MNRAS, 406, 2671

  47. 毫秒脉冲星 Du et al. 2010, MNRAS, 406, 2671

  48. 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。

  49. 路漫漫其修远兮 吾将上下而求索 谢谢各位老师和同学！ All rivers run into sea. Thanks!!!

More Related