乔国俊 北京大学天文学系
Click here to load reader
description
Transcript of 乔国俊 北京大学天文学系
乔国俊 北京大学天文学系
脉冲星辐射机制的探讨
2
中子星如何产生辐射?
引力 —热运动 =》中子星大气:几厘米
脉冲星的磁层!
Goldreich & Julian, 1969; RS 1975
辐射:高能粒子 + 曲线运动……
:
→
如何产生观测到的辐射?
理论:辐射区域 + 辐射机制1 、辐射区:
2 、边条件3 、初条件4 、足够的加速电势
观测:观测与理论是否相符?
I. 可能的加速 + 辐射区II.内间隙模型 ● 表面束缚能: >10 keV ● 中子星?夸克星: OK ; Core+Annular ?
III. 外间隙模型 ● 完全电荷分离? ● 回流加速?IV. Slot Gap 模型 : 加速电势?V. 观测检验
脉冲星辐射机制的探讨
6
中子星的磁层
For Crab Pulsar:
Mono-generator
地球 :
太阳 :
For Crab Pulsar:
8
1. Gap : inner gap & outer gap 2. Space Charge Limited Flow: Slot gap 3. Annular gap
粒子的加速和辐射区在哪 ?
9
Outer gap model
polar cap model
环间隙模型
优点 :
●靠近中子星也可产生很宽的辐射束
● 可同时给出射电和伽玛辐射 !
A comparison between the models
11
I. 可能的加速 + 辐射区II. 内间隙模型 ● 表面束缚能: >10 keV
● 中子星?夸克星: OK ; Core+Annular ?
III. 外间隙模型 ● 完全电荷分离? ● 回流加速?IV. Slot Gap 模型 : 加速电势?V. 观测检验
脉冲星辐射机制的探讨
12
漂移子脉冲
Backer (1973)
14
内间隙模型涉及三项重要内容
• 辐射机制:强磁场中的逆康普顿散射• 表面束缚能:中子星、夸克星?• 观测检验:空心束?中心、内环、外环?
Xia et al. AA.,1985, Qiao & Lin, 2001 Xu et al. Ch.Ph.Let. 1998, 1999,Qiao et al. 2001, Zhang et al. 2007 Xu et al. ApJ, 1999, Xu et al., ApJ.,2001…
…
Different gap heights:mode changing
Zhang,Qiao,Lin,Han,1997,ApJ.
Rankin, 1986
16
强磁场中逆 Compton 散射原子吸收光子
Bohr 原子:
原子共振吸收光子:
强磁场中电子的 Landau 能级:
强磁场中共振逆 Compton 散射:
. 电子处于量子化Landau 能级上
电子处于量子化 Bohr能级上
B.
Xia,Qiao,Wu,Hou,. 1985, A&A, 152, 93
17
Zhang,Qiao,Lin,Han, 1997
Mode changing
18
环区与核区放电点反向漂移
Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL
19
The Annular Gap
Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL
The radio and gamma-ray can be understood by annular gap at same time.
20
Drifting sub-pulses
PULSE LONGITUDE
Drifting subpulses
Taylor et al. (1975)
Backer (1973)
Bi-drifting: fitting
Mclaughlin 2003,astr-ph/0310454
Qiao,Lee,Zhang,Xu,Wang,2004b, ApJL
22
Core and conal emission beams
Rankin, 1983, ApJ,274,333
Manchester,R.N. 1995 J. Astroph. Astr. 16,107
Core emission !How to produce it?
23
Emission beams in RS model
Ruderman & Sutherland, 1975
Emission beams
Hollow cone only!
Rankin, 1983, ApJ,274,333
Low freq: wide beam!
24
Inverse Compton scattering (ICS) model
Qiao, 1992Qiao & Lin, 1998, AA; Qiao,Lin, Zhang,& Han, 2001,AA
25
RS model
Qiao,Liu, Zhang,& Han, 2001,AA
Lyne & Manchester (1988) & Sieber et al. (1975),Kramer,(1994)
The beaming frequency variation!
?Obs.
ICS model
26
PSR B2111+46: Multi-bands Obs.
Pulse profiles:
Gaussian fitting
Zhang, Qiao, Han, Lee, Wang , AA,2007
PSR B2111+46: Multi-bands Obs.
Light curves
Zhang, Qiao, Han, Lee, Wang , AA,2007
Different components of same frequency come from different altitudes.
Spark Model
Gil & Sendyk, 2000
Polar cap region
Harding et al. (1998):“张乔等(1996,1997)最先研究了…逆康普顿散射光子产生电子对的效应 , 他们发现…极冠区加速的标准模型需要进行实质性的修改”。
Hibschman & Arons(2001)指出,“在过去 25年中 , 基本模型未发生实质性的变化。然而,最近有两项重要的进展,一个是 Muslimov …发现的广义相对论…产生的加速电势 ,…另一个是… Zhang et al. 1997提出的逆康普顿散射…”。
关于强磁场中的你康普顿(谐振)散射
30
Gil 和 Sendyk (2000)指出 , “…新近关于
0437+10 和 0031+07漂移子脉冲的文章强烈显示
极冠区 RS型真空间隙的存在,徐等强调如果脉冲星
(至少那些具有漂移子脉冲的)是夸克星,束缚能问
题可以完全解决…”。
关于强磁场中的你康普顿(谐振)散射
31
Weltevrede et al.(2006)指出 :“对脉冲星子脉冲漂移
现象解释的最好的模型是真空间隙 (gap)放电模型 (…Qiao
et al.2004)…脉冲的双向漂移就可以解释 (Qiao et
al.2004)…双向漂移可以做为一个迹象 , 表明这些脉冲星既
有环间隙也有中心间隙 (Qiao et al.2004)”。
关于环间隙 & 漂移子脉冲
32
I. 可能的加速 + 辐射区II.内间隙模型 ● 表面束缚能: >10 keV ● 中子星?夸克星: OK ; Core+Annular ?
III. 外间隙模型 ● 完全电荷分离? ● 回流加速?IV. Slot Gap 模型 : 加速电势?V. 环间隙模型
脉冲星辐射机制的探讨
33
外间隙模型涉及的三项重要内容
• 磁层:是否完全电荷分离?• 向内流动的粒子:是否会加速?• 观测检验:是否在零电荷面外?
Cheng & Ruderman, 1976
向内流动的粒子?次级中性等离子体?
Why the AG plays a important role?Theory:
●outer gap <=> annular
Observations: ● very wide emission beams
● Bi-drifting sub-pulses…
Du, Han, Qiao, Chou, 2010, ApJ.
Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA
35
Free flow: slot gap & Annular gap
Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA
36
The annular gap Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA
the acceleration effect of AG is much higher efficiency!
37
I. 可能的加速 + 辐射区II.内间隙模型 ● 表面束缚能: >10 keV ● 中子星?夸克星: OK ; Core+Annular ?
III. 外间隙模型 ● 完全电荷分离? ● 回流加速?IV. Slot Gap 模型 : 加速电势?V.观测检验
脉冲星辐射机制的探讨
38
Slot GP 模型涉及的三项重要内容
Favorable region
Arons,J. 1983, ApJ
Slot gap paircascade
Primary CR, IC
Closed fieldregion
⊙ 初条件?(从中子星表面流出粒子等于当地磁层密度?)
⊙是否可以忽略环间隙区域?⊙ 加速电势是否足够?
(Muslimov & Harding, 2004)
Mono-generator
地球 :
太阳 :
For Crab Pulsar:
40
I. 可能的加速 + 辐射区II.内间隙模型 ● 表面束缚能: >10 keV ● 中子星?夸克星: OK ; Core+Annular ?
III. 外间隙模型 ● 完全电荷分离? ● 回流加速?IV. Slot Gap 模型 : 加速电势?V. 观测检验
脉冲星辐射机制的探讨
41
累积脉冲的偏振
Xu et al.2000
42
~157o
Position angle sweep fit with Rotation Vector Model
Lyne & Manchester 1988
max
1.6d
d
max
7.0d
d
Inclination Angle
Viewing Angle
Line of Sight
Pole A(MP)
Pole B(IP)
MP IP
Double-pole origin
Wang et al.2006
43
射电 + 伽玛 == 》辐射区域
Wang.Qiao,Xu,Liu, 2006,MN
From observation, the radiation location can be determined uniquely for this star.
Radio
Gamma-ray
Thompson et al. 1992
44
辐射高度 & 偏振位置角突跳
Xu et al.2000,ApJ
45
偏振位置角的突跳
Xu, Qiao & Han, 1997, AA
46
FERMI/LAT
FERMI Observatory:Launch date: 11 June 2008Two instruments:GBM: 8 keV – 40 MeVGRBs, transient sources
LAT: main telescope20 MeV to > 300 GeV
Great improvements:8000 cm2 at 1 GeV0.8o at 1 GeVLarge FOV -cover all sky in two orbits 3 hr
47
Pulses at1/10th true
rate
Where we are…Gamma Only
MSP
Radio+Gamma
Millisecond pulsars: pulse profiles in the Annular gap
Du, Qiao, Han, Lee, Xu 2010, MN
Modeled radio and Gamma-ray light curves for PSR J0034-0534
Du, Qiao, Chen 2012
Radio Obs.
Gamma-ray Obs.
Vela: pulse profiles in the Annular gap
Du et al. 2010Du, Han, Qiao, Chou,2011,
ApJ.
Du, Qiao, Wang,2012, ApJ.
Crab: pulse profiles in the Annular gap
为什么年轻脉冲星 + 毫秒脉冲星:伽玛射线辐射 ?
Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL
WIDE RADIO BEAMS FROM γ -RAY PULSARS Ravi, Manchester & Hobbs,2010
G-Gamma-ray
R-radioΘc-commonΘg-gammaΘr-radio
Thank you !
56
Primary polar current and the return current
Arons,2007
How can weGet this?