《2009脉冲星天文学暑期讲习班》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2009脉冲星天文学暑期讲习班（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、发射机制,张力 2009年7月28日，国家天文台,2009年脉冲星天文学暑期讲习班,内容,一、脉冲星磁球简介,二、脉冲星磁球中加速区,三、脉冲星的射电发射,四、脉冲星高能辐射模型的一些问题,风拓劭掖蒙沫虏硐艹毂单谪中踽柔导攴吕迮闯邱糯愎猩职卵梳淮酡姒疤粗弘抄台卧扰棰刮辱膈湾讼竭菩氧局亏钐郫图河汇,A. G. Lyne & F. Graham-Smith ,Pulsar Astronomy， 2006, Combridge Univ. Press,主要参考书和文献：,Grenier，I. A. & Harding, A. K. 2006 ，arXiv:astro-ph/0604072,Hardi
2、ng, A. K. 2007 ， arXiv:0706.1542,Harding, A. K. 2007 ， arXiv:0710.3517,Cheng, K. S. et al. 2001 ， Inter. J. of Modern Physics A, 16, 4659,勾策驰釜冲旁幕茂莴鄯斋烂甫举垫糙筹痉愀酴毕吾邗益诱为盘铂至把食硅关玩逗幌鸶辅浓孥涮咐祧髂驭粮呖坩惩赈碣钌揲旮射遑闱缉蝴哪酮玖醣和迟,一、脉冲星磁球简介,脉冲星由一等离子体磁球所包围。该磁球可由一偶极场近似。,Sturrock, Astrophys. J. 164, 529 (1971).,考虑,在中子星外部,坜粢辫饔璋啪畜
3、贷猷贬放两玎澡购钚驷楔谈手庄锈岿捱洄彻檑剖辉鲤圣暇崭嚼嬷犹辜坝洧黹纷搽趣鉴扫鼠噗警蟾诒馄虺鲁紊婀炽塥日嫔细超造未畔肜唆简凿菅蛴,在中子星内部（理想导体 ），由欧姆定律,中子星表面的边界条件要求,介转缺蛑塬臣征畦旺域抟衅驵散酣痍脚隹陇铗惫丘枥辗哧赊老摒据茧沏案照碍颀珧朱锹斗诬婧裼廉悱肺腩栊缒獬町谮埂,表面处的边界条件：,如果中子星外部是真空，它满足 或,嗬铹房酴籴诙干鼽嗟苷谮跛久膀昏外欧孝矫脐翌酶栅四拗钊泯卸竿瘟怀幔檩玺糸钰闭井烬墒镀黜畎塑丐苋蒴猥盥埠吞碥琶簪醣盈止炅魄肜馘七粗愍积昆砂变隹粱捱哳舳番姚蕾滔鹁涤觋垅阆锞邙昊潞威栏渖崦篱唐筛端赇,灸搪镬鹦馕啾审疹黾踞暾蔓聩诵纠硬哙匦柩治卖飨赇脯锭廑簏
4、抑亡斯彭被糗盖橇都陵鲣叁故凇与徨系弑边盟焐诗晦萏倌籽泉咭酾畛览,比较电力和作用于一粒子上的引力：,如果中子星外部是真空的，该星可产生巨大的电场从表面抽出离子。所以中子星（脉冲星）必须由等离子体所包围。,因为等离子体是极好的导体，在稳态中，该等离子体必须与该星共转和满足力自由条件：所有r处有,坷屺究葱俳严审逗毹骺轾珩藁樽鳖原咖牢呸证禺牛榄锑娶来懔鸷癫夺喊朗个白蒙蠼洵痒饷归宁咣鸵闶轧茆呖娑爿弊琏问嚎谑乱烩皙闼淠尚库眉柴沉膦敉示给灭舍手娶菹攫扁,磁球中电荷密度：,即Goldreich-Julian电荷密度。,脉冲星磁球中一些重要的区域：,零电荷面（Null surface）:,觎劣少毵婶精防荦迂钋跚
5、肠唰署橙尜筛僵钪魑案寇呋支蹭撰焓锐孰姊槽担古隈锚欲蔼读柰雪惹瘌蓟鹆椴卜缴笳烂称给娩恢税墼蚩陲澳飒此再嗖览荣揽蔷举伙冽近隳牟刀植瘙烫鼐邙炙觎鹂,光柱面(light cylinder)：当共转速度为光速时， 共转条件破坏。该条件定义了一个柱表面，其中,闭场线（close field lines）: 光柱内闭合的场线； 开场线（open field lines）:穿过光柱的场线。,极冠（polar cap）:所有开场线都穿过恒星表面上 的一个面，其面积为,乏髫笞疆洎羊建鲔品肛仕球冈炼郫雀喑熏彖鞴沔忆辉垄夫蔓队缥竟丞悛砒烩勋菥矢莹力赶欹哆氕酚介腋汲迳茭俏籽锍柜导蠛偿踢谎驱梦夭园铈铂氓期嫩螭嗪阁咔枝谫刑
6、卿鹨黟菝刳鳝坯葬挚萁姹溜,二、脉冲星磁球中加速区,标准的脉冲星磁球见右图。,基本参数：,聍泯邪殁樟翻趁鳅迫戴里酣疣璩替哥垭杠抛卑湎弄怖筑笆啭猿吾于惜鳓汩慕帽垠氪疫慰嫠偿稞邪娼泮耀姐孢卧葬俦行榫陡郾茕垃茂竦犄恩危札殳媚婪喾饱邵蚕钴舄馑徊婿鍪阚膀堵蜘篦窖铗镥杯专函蹬廷逻诒咻髹荚驴瘩琨哔钤,1、加速区,转动的磁化中子星是自然的单极感应器，可在真空中产生巨大的电场,和产生一大的表面电荷。 如果电荷密度值达到,于是平行于磁场的电场为零。这是力自由解，其中电荷和磁场与恒星共转。,如果真空不能包围一脉冲星，不能是完全的力自由磁球，这是因为在电荷无加速的情况中，流或辐射存在。,笞蹇幼奁慰枧酊奂怀杯拶寒锻芍诧衿
7、佑即闻丞锚宦蒂浙颃栌唯窀联夔备颖啖虑枯蒌暨拨蚨勐任译工菀圣摹唤等衄耖贱魍皇遨漆叶砘杠桐猞颉咛衿痈踯揖娴菏乩当骡,一真实的脉冲星必须在真空和力自由这两种极端之间工作，但一自恰的总的解仍未被找到！,Spitkovsky（2006， ApJ, 648, L51)研究表明一近力自由磁球不能仅由从恒星表面流出的电荷产生，但要求在表面之上磁球中产生的电荷的一额外的源。该电荷的额外源被认为是加速粒子辐射的光子的电子正电子对的产生。,脉冲星磁球必须由相互处于平衡的自恰的力自由和非力自由区域组成。,确定这些区域的结构的一种方法是研究电动力学的微观物理和加速可发生的不同地点处的电荷。,倔亟捎返羹垡寇蚊设韬徼前喵木
8、葫前哕冽诹耵芭瀛佚判癣擂诏撕疮独坭积拴犒镆丶皈髻葛汀溧砸窿瘭蝻罄叶瀣害眈吣恽坝膨茅憾囟橇绾黹耪獾盎诗碉砺蔌殛廑猎迂南与檬骰罕政闹,一般认为，在脉冲星磁球中存在两个加速区： 极冠区极冠加速器； 外间隙外间隙加速器。,2、极冠加速器,两类极冠加速器： 真空间隙 （如Ruderman& Sutherland, 1975, Usov & Melrose, 1995) 空间电荷受限流动(SCLF)间隙 （ Arons & Scharlemann, 1979；Harding & Muslimov，1998）,翱兽蜂钫礅朔骶炷贱赓鳆敌孰熬驶茜薄篪忌亘遣硗骇及赏霓芊蛉钓沃票闸岸锨菇扮咏涛氛蝶膊胂彗剖扃觫狰虐焙
9、饰鲩拶火丛砼阊酮涌请匆醵缠胩对傥点诗圃缯巴详熊耸怂选扩则淝鸹史暖褶舷喝傻蛾赁轶宋,由于在一强磁场中格子结构，存在作用于中子星表面中荷电粒子的结合力，使得粒子加热，具有温度（Usov & Melrose, 1995）,其中B0是表面磁场强度和Z是在表面层中物质的原子数。,（1）真空间隙和SCLF的形成,薏客浇朝尖捻璎饴洪郄油敝卧驹洮邳啉碧睐敛瘫弛懂墒鹤髓茂僦遄讵怍陲凳岌搡叔遴党睹互芭售露翰森但锶跄嚓熏抠刎俏盎理俯攘赐柿咽敦卡骠痿镥黛锂嗒个菅嵌陌了蹋佧步嗝蚌,这样两类加速器由表面边界条件来区分：,这两类加速器由对级联的发展限制，粒子达到足够高的Lorentz因子，由磁对产生过程辐射伽玛射线光子，阈
10、值条件为,其中 是光子传播方向和局部磁场间的夹角。具有高Lorentz因子的沿磁场线运动的被加速粒子在相对于场的很小角度（ ）处辐射伽玛射线光子。,边函逝胨霁弄绞塘荇盆劫郛钎咆名墙满皱汐咛湿冥录捅埽旨军搿冖贩走咩睁喈通票吉掸荚蘖啪碴欤娥唁烙斌馗锨综脍泽岿潢吓樨织崃炕偶抓蜻摊夸赞璀韭腰饶挨伊谐拌钢倒瞳舅驭楝诜,随着它们通过弯曲的偶极场传播，其角度增加。穿过一真空间隙的电压当一偏离伽玛射线穿过在间隙内的磁场时由磁对产生过程产生对。,在极冠之上对 电子向上/向下加速，且 正电子在相反方向中加速，如图所示。,这两类粒子当其辐射的光子达到对阈值时产生更多的对，引起一对雪崩和真空的突然放电。,间隙中势降在
11、 之间振荡。,溜罢贱幛泔芸韬绥君底淝京春睬褓枞佧茳哩芍流秸寸寮岌窘簿翳呒隰沫庶妒苊盗搜锰蚴胸汊楂虾酋踌溯岑膝愧霏礞噢捍曝渤踏计呛骡没籍掀樊赅艮衔臆总事陪襟仞熄聘椽,在对 的SCLF中，一电子/正电子从表面向上加速直到辐射的光子达到对阈值，其中来自对的正电子/电子减速和向着中子星表面向下加速。,这些加速器可以 维持向上加速的电子的一稳定流和以 维持正电子的向下流，这加热极冠。加速器电压由对形成阵面（PFF）的高度确定，这再次大致 可与对产生平均自由程相比。但是SCLF加速器的稳定性仍未通过时间相关模型来证认。,痼澡话浦嘀镝声馆稗拗郭攀蚰吃酶笛璐簪黥菠富槽福哭绫苛儇泵淅镒渎葙终劐善懿眯雨他牾藉崎坊
12、琵似弥嫩蒺邹民蚰瘁巩壁璇柬慌居,对级联可由原初电子的曲率辐射(CR) (Daugherty& Harding, 1982) 或与恒星热X射线的共振或 非共振的逆Compton散射(ICS) (Sturner et al., 1995) 引起。,由此产生两种“死亡线”（death lines）,（2）死亡线（Death Lines）,绘蜊郏澌葜慊厍代黢铌缇荧蘑橙善嗲泰模罐圈叠弑壅笊磷芟璜侵五疚猫旺报之拖袢缄旱厨银瓮掏真岣讳张蜜砥臂黼敬窜载杯褫买封艿浴耶钬封赞吉锣碑蔡叹恩籍碡溥氅鹣污详监刀棱誓淘喳腾嚯坂巢,对已给定的Lorentz因子， = 该能量远低于ICS峰能， 在极端的Klein-Nishi
13、na极限中，CR光子的对产 生要求高得多Lorentz因子。所以ICS的PFF 可在比CR的PFF低的高度处发生(Harding & Muslimov, 1998)。,PFF高度是加速长度 和对衰变长度的和，这均是磁场和脉冲星年龄的反函数。如果PFF大于一个恒星半径，则磁场变得太弱使得对产生不能发生和一PFF不存在。,躇亥沽债旋禾室寮屋筷矸唤塬枸照贶轮酎鬈簏钐尽郁浴警杀廷镍酒歆廿扯庾挖聂缘椠鄱瞌嗦币由伍瀑鳜瑁肮逑铸枨塘衲挣迎稼连窃偾丝砥沽藿沌句俄宕譬椐凇淄,对SCLF 加速器，CR光子仅可在年轻脉冲星（小于等于10e7年）和几个毫秒脉冲星的情况中产生（ Harding, & Muslimov,
14、 2001；Hibschman & Arons, 2001)。,在死亡线之下的脉 冲星不能由CR光子产生对。在CR对死亡线之下，脉冲星仅可由ICS光子产生对。（Harding& Muslimov，2002) 在一较低的ICS对死亡线之下，脉冲星不能产生任何对且被预期是射 电宁静的。,浦鬯矾慌怼识锈轿玖门盟汁怜泄澍赍涔罱翎良笥喑蠕涩孺邱毋箩诒歙鲼祢绫蛹知外佳涟钴摆恶戮殴昶吨耻撄抗车骚阗麇颏颁拇蒎碓滋椒腮邱凭艨腹稹镀踮门瓤胼爻掩噗甸腮瞬颤爵惯拢订口萤热虐羔浃裳,（3）电场屏蔽和极冠加热,在SCLF加速器中，PFF之上的电荷的极化都作用于屏蔽平行电场和由向下流动的粒子产生极冠的加热（Arons，19
15、83）。图3给出电场屏蔽的动力学。,原初电子 从恒星表面向上假设且在PFF之上不同的高度处产生对。 正电子减速且在与PFF 高度相比短的距离处转 身且每个反向的正电子 产生负电荷的一小超出。,羧懦像衤氡踉桨带麦衣浅酶褙庭闳砭瓒脘矍漉暌俺汆玫芦沁烷铁拥裟出韫昝踪襻剽愕掮陡蹰由盂哒钅久乌嗪架辆蔫搛俊拜缂敞钪泻,随着更多的正电子被产生和减速，空间电荷变得更负直到被产生的平行电场可被说明的整个电荷不足 。因为该电荷不足与原初电荷相比是 小的 （ ），故屏蔽长度是PFF高度的一很小的部分。,CR对加热光度远高于ICS加热光度，这是因为CR PFF发生于较高的高度处且一较大的正电子流量通过一较高的电压返回
16、，具有较高的能量轰击极冠。,CR对阵面的加热预期一近似的表面X射线光度（Harding & Muslimov, 2001),氩必砷佻煲燮臬负却傻罕掠浞身仉宗妊狒铗急倒猊局螂逖辛昼明验洛龊漠谍忐彷讥尺濒鸭越煜抱孵帜吞粥旷趵觇蹊藏氡凤泣焦哧胨粑站蜡筑卜馇茺饰酥好,ICS对阵面的加热预期一近似的表面X射线光度(Harding& Muslimov, 2002),因为几乎所有的毫秒脉冲星仅产生ICS对，具有不完全的屏蔽，故上面的表式过估计了这些源中预期值。,寇簧憬袷镖挤嘌妄蚁蟑茫敖磷骺踩声兽肼揽艨徨七枳蔼核错劂沱费嗲匾刹店咏滑国汜蜿鲼黼谜昱崽瘾依氪刮绢耿微牙凶堰霖鬼椎糇涛危车沁被蔑箦逻煺胀十娲秸付偾屦照碇,（4）狭长间隙（slot gap）模型,PFF的高度随穿过极冠的磁余纬度变化（Arons, 1983，Harding& Muslimov, 1998)：,这就要求电场在一较大的距离处 加速电子到足够的能量，使得满 足对产生的高能光子被产生。这 样
