脉冲星辐射机制的探讨
乔国俊
北京大学天文学系
中子星如何产生辐射？
引力 —热运动=》中子星大气：几厘米
2
脉冲星的磁层！
：
→
辐射：高能粒子+曲线运动……
Goldreich & Julian, 1969; RS 1975
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？
脉冲星辐射机制的探讨
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
中子星的磁层
For Crab
Pulsar:
6
Mono-generator
地球:
太阳:
For Crab Pulsar:
粒子的加速和辐射区在哪?
1. Gap：inner gap & outer gap
2. Space Charge Limited Flow:
Slot gap
3. Annular gap
8
Outer gap model
polar cap model
9
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
脉冲星辐射机制的探讨
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
11
12
漂移子脉冲
Backer (1973)
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
Qiao et al. 2001, Zhang et al. 2007
…
Xu et al. Ch.Ph.Let. 1998, 1999,
Xu et al. ApJ, 1999, Xu et al., ApJ.,2001…
14
Different gap heights:mode changing
Rankin, 1986
Zhang,Qiao,Lin,Han,1997,ApJ.
原子吸收光子
Bohr原子：
.
电子处于量
子化 Bohr
能级上
原子共振吸收光子：
强磁场中逆Compton散射
强磁场中电子的Landau能级：
B
.
电子处于量子化
Landau能级上
强磁场中共振逆Compton散射：
Xia,Qiao,Wu,Hou,. 1985, A&A, 152, 93
16
Mode changing
Zhang,Qiao,Lin,Han, 1997
17
环区与核区放电点反向漂移
Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL
18
The Annular Gap
The radio and gamma-ray can
be understood by annular gap
at same time.
Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL
19
Drifting sub-pulses
PULSE LONGITUDE
Drifting subpulses
Taylor et al. (1975)
Backer (1973)
20
Bi-drifting: fitting
Mclaughlin 2003,astr-ph/0310454
Qiao,Lee,Zhang,Xu,Wang,2004b, ApJL
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?
22
Emission beams in RS model
Emission beams
Hollow cone only!
Ruderman & Sutherland, 1975
Low freq:
wide beam!
Rankin, 1983, ApJ,274,333
23
Inverse Compton scattering (ICS) model
Qiao, 1992
Qiao & Lin, 1998, AA;
Qiao,Lin, Zhang,& Han, 2001,AA
24
Obs.
ICS
model
?
RS
model
The beaming frequency
variation!
Qiao,Liu, Zhang,& Han, 2001,AA
25
Lyne & Manchester (1988) & Sieber et al. (1975),Kramer,(1994)
PSR B2111+46: Multi-bands Obs.
Pulse profiles:
Gaussian
fitting
Zhang, Qiao, Han, Lee, Wang , AA,2007
26
PSR B2111+46: Multi-bands Obs.
Light curves
Different components of same
frequency come from
different altitudes.
Zhang, Qiao, Han, Lee, Wang , AA,2007
Spark Model
Polar cap region
Gil & Sendyk, 2000
关于强磁场中的你康普顿（谐振）散射
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
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
…”。
30
关于环间隙&漂移子脉冲
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)”。
31
脉冲星辐射机制的探讨
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
32
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？
33
Why the AG plays a important role?
Theory:
●outer gap <=> annular
Observations:
● very wide emission beams
● Bi-drifting sub-pulses…
Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA
Du, Han, Qiao, Chou, 2010,
ApJ.
Free flow: slot gap & Annular gap
Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA
35
The annular gap
Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA
the acceleration effect of AG is much higher
efficiency!
36
脉冲星辐射机制的探讨
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
37
Slot GP模型涉及的三项重要内容
⊙ 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？
Favorable
region
P rim a ry C R , IC
C lo s e d fie ld
re g io n
(Muslimov
Arons,J. 1983, ApJ
2004)
S lo t g a p p a ir
ca sca d e
& Harding,
38
Mono-generator
地球:
太阳:
For Crab Pulsar:
脉冲星辐射机制的探讨
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
40
累积脉冲的偏振
Xu et al.2000
41
Position angle sweep fit with Rotation Vector Model
 d 


 d   m ax
 d 


 d   m ax
7.0
Inclination Angle
Viewing Angle
z
a
1.6
Double-pole origin
W
z
~157o
a
MP
IP
Lyne & Manchester 1988
Wang et al.2006
Pole B
(IP)
m
Pole A
(MP)
Line of Sight
42
射电+伽玛==》辐射区域
Radio
Gamma-ray
Thompson et al. 1992
Wang.Qiao,Xu,Liu, 2006,MN
From observation, the radiation location can be
determined uniquely for this star.
43
辐射高度 & 偏振位置角突跳
Xu et al.2000,ApJ
44
偏振位置角的突跳
Xu, Qiao & Han, 1997, AA
45
FERMI/LAT
FERMI Observatory:
Launch date: 11 June 2008
Two instruments:
GBM: 8 keV – 40 MeV
GRBs, transient sources
LAT: main telescope
20 MeV to > 300 GeV
Great improvements:
8000 cm2 at 1 GeV
0.8o at 1 GeV
Large FOV cover all sky in two orbits 3 hr
46
Where we are…
Gamma Only
MSP
Radio+Gamma
Pulses at
1/10th true rate
47
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
Gamma-ray
Obs.
Radio Obs.
Du, Qiao, Chen 2012
Vela: pulse profiles in
the Annular gap
Du etHan,
Du,
al. 2010
Qiao, Chou,2011, ApJ.
Crab: pulse profiles in
the Annular gap
Du, Qiao, Wang,2012, ApJ.
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-radio
Θc-common
Θg-gamma
Θr-radio
Thank you !
Primary polar current and the return current
How can we
Get this?
Arons,2007
56