（天体物理专业论文）脉冲星射电波段谱特征的研究.pdf

摘要 脉冲星是中等质量的恒星演化到晚期经过超新星爆发后遗留下的致密天 体，它磁场很强，在快速旋转时，能够发出周期性的脉冲信号脉冲星的辐 射是全波段的，本文主要关注的是脉冲星射电波段的谱特征。脉冲星的射电 辐射谱整体上一般是简单的幂律谱，但脉冲星的累积脉冲形状和宽度通常随 观测频率变化，显示出脉冲星不同相位上谱的差别。对此，以往的经验模型 和研究方法，如核锥模型、相对相位谱方法、高斯成分分离方法等并不能 更加具体的描述和解释不同相位上的谱差别。本文将脉冲星高能辐射研究中 的绝对相位分离谱方法应用到射电波段，尝试从与前人不同的，统一的相位 分离谱的途径来解释脉冲轮廓形状变化和宽度变化，从而为理论上研究脉冲 星磁层中不同区域辐射过程和物理条件的差异提供观测基础 第一章简单介绍了脉冲星的研究历史，当今脉冲星研究的前沿课题，以 及本课题的研究意义第二章综述了射电脉冲星的观测特征及相关的经验模 型和理论模型。 第三章采用绝对相位分离谱的方法，重点研究相位分离谱。从文献中选 取了2 3 颗相位校准质量较好的脉冲星。用幂律谱拟合各相位的相对强度，得 到其相位分离谱，根据谱的形状，可以分成“a ”型，飞矿型，v 型以及前后不 对称型等四种类型，相比传统方法，揭示了更丰富的谱的变化类型。同时， 结合辐射机制以及磁偶极的几何模型对脉冲星辐射谱随相位变化的原因进行 了初步的理论探讨。 第四章重点研究脉冲宽度和频率之间的关系。前人主要关注的是宽度随 频率升高减小的一类，通常用经典的高度频率关系( r f m 模型徕解释，其 他情况研究较少为了更加系统地研究二者的关系，我们从欧洲脉冲星轮廓 数据库中( e p 中搜集了有较高信噪比轮廓的2 0 0 多颗脉冲星一一这是目前同 类研究中最大的样本，测量并统计了它们的脉冲宽度随频率的变化。结果 显示样本中约3 5 的脉冲星宽度随频率显著减少，约5 2 变化很小或基本不 变，1 3 有显著的增加趋势，这对传统的r f m 模型提出了挑战本论文从祖 位分离谱的角度对不同宽度变化类型给出了解释 关键词脉冲星；辐射机制；相位分离谱；累积脉冲轮廓 a b s t r a c t p u l s a r sa r ei m 群l c tc e l e s t i a lb o d ye v o l v e df r o mi n t e r m e d i a t ei n a f l f ls t a ri nt h el a 协 s t a g ea f t e rs l j p e y n o v ao u t b u r s tt h e yh a v es t r o n gm a g n e t i cf i e l da n dc a nr a d i a t ep c - r i o d i cp a i s es i g n a t sw h e nr o t a t i n gf a s t r a d i a t i o no fp u l s a r sc o v e r sf u l lb a n & o u r r e s e a r c hc o n o 既l n a l e do ns p e c t r ab e h a v i o r so fp u l s a r sa tr a d i ob a n d t h ee n t i r ei 扣 c l i o 叩觑恤o fp u l s a r sc a l lb ed e s c r i b e db yp o w e rl a ws i m p l y h o w e v e r , b o t hs h a p e a n dw i d t ho f i n t e g r a t e dp u l s ep r o f i l e su s u a l l yc h a n g ew i t hf r e q u e n c i e so no b s e r v a t i o n , w h i c h r e f l e c t t h e v a r i e t i e s o f s p e c t r a 砒d i f f e r e n t p h a s e w h e r e a s t h e t r a d i t i o n a i e m p i r - i c a lm o d e l sa n ds t u d ym e t h o d s ，e 昏t h ec , o r e - c o n em o d e l s ，r e l a t i v ep h a s em e t h o da n d g a u s s - c o m p o n e n td e c o m p o s i n gm e t h o d , e t c c 托n o td e s c r i b ea n di n t e r p r e tt h es p e c - t r a ld i f f e r e n c ea td i f f e r e n tp h a s ei nd e t a i l , w ee m p l o y e dt h er e l a t i v ep h a s e - r e s o l v e d s p e c t r am e t h o du s e df o rh i g he n e r g ye m i s s i o np r e v i o u s l ya tr a d i ob a n d , a n dt r i e dt o i n t e r p r e tt h ev a r i e t i e so f p u l s es h a p ea n d 凼w i d t hw i t hf r e q u e n c yt h r o u g ht h ew a y o f u n i f o r mp h a s e - r e s o l v e ds p e c a a , w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a ls t u d i e s t h i s w o r k c a n l a y t h e f o t m d a t i o n t os t u d y i n g t h e v a r i e t i e s o f r a d i a t i o n p r o c e s s a n d p h y s i c a l c o n d i t i o n so f m a g n e t i ca t m o s p b e r eo f p u l s a rf i x a nt h e o r y c h a p t e r1i n t r o d u c e d t h er e s e a r c hh i s t o r yo f p u l s a r s ，t h ec u r r e n ts u b j e c t sa n dt h e s i g n i f i c a n c eo fo u rr e s e a r c hs i m p l y c h a p t e r2s u m m a r i z e dt h eo b s e r v a t i o nf e a t u r e s a n dp r e s e n te m p i r i c a lm o d e l sa n dt h e o r e t i c a lm o d e l s ，w h i c ha r eu s e dt oe x p l a i nt h e o b s e r v a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p u l s ；a si np r e v i o u sw o r k i n c h a p t e r 3 ，p h a s e - r e s o l v e d s p e c t r a a m m a j n i y s t u d i e d t h o u g h m e t h o d o f a b s o l u t e p h a s e w es e l e c t e d2 3p u l s a r sw h i c hh a v eh i g h e rb e t t e rt i m e - a l i g n e dp u l s ep r o f i l e s a n dg e tt h e i rp h a s e - r e s o l v e ds p e c t r ab yf i t t i n gt h er e l a t i o nb e f w f e ni n t e n s i t yo f i n d i a - t i o na n df r e q u e n c ya te a c hp h a s eb i n a c c o r d i n gt ot h cs h a p eo f s p e c t r a , w ed i v i d e d t h ep u l s a r si n t of o u rg r o u p s , i e “a 一”，m - ：、p a n da s y m m e t r i c a l l ys h a p e d t y p e s ，w h i c hr e v e a l e dm o r ec o m p l i c a t e ds p e c t r ap r 删豁t h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d c o m b i n i n gw i t hr a d i a t i o nm e c h a n i s m sa n dm a g n e t i cd i p o l a rg e o m e t r i c a lm o d e l s ，t h e r e a s o nf o rv a r i e t i e so f s p e c u aa td i f f e r e n tp h a s ew e r ei n v e s t i g a t e dp r e l i m i n a r i l y t h er e l a t i o nb e t w e e l lp u l s ew i d t ha n df i e q u e n c yi 8m a i n l ys t u d i e di nc h a p e l 屯 t h ep f e v i ms m 匆w c f ec o n c e n t r a t e do nt h ep i i l 鞠塔w h i c hs h o wd e c r e a s 啦p u r s e 一一 广州大学硕士学位论文 i i w i d t ha th i g h e r 自啊嘲戚韶，w h i c hw e r eu s u a n yh a e r p m e da sr a d i u s - t o - f r e q u e n c y m a p ( p v mm o d e l s ) h o w e v e r , t h e r ei sl i t t l ew o r ka b o u to t h e rt y p e so fp u l s a r s i n o r d 盯t oi n v e s t i g a t et h er e l a t i o nb e t w e e n p u l s ew i d t ha n df r e q u e n c ys y s t e m i c a l l y , w e c o l l e c t e dm o r et h a n2 0 0p u l s a r sw h i c hh a v eh i g h e rs i g n a l - t o - n o i s er a t i op u l 鞯p r o f i l e s f r o me 豳，p c a nd a t a b a s e 饵p n ) w h i c hi st h el a r g e s ts a m p l ei nh o m o g e n e o u s s t u d y , a n dc a l c u l a t e dt h ef r e q u e n c yd e p e n d e n c eo f p u l s ew i d t hf o rt h e s e p u l s a r s t h er e s u l t s s h o w st h a tp u l s a r so f t h r e eg r o u p s ，w h i c he x h i b i ti n c r e a s i n g , c o n s t a n ta n d i n c r e a s i n g p u u ew i d t hw i t hf r e q u e n c i e s ，o c c u p i e d3 5 ，5 2 a n d1 3 i nt h es a m p l es e p a r a t e l y 砌sp o s e sa c h a l l e n g et ot r a d i t i o n a lr f m m o d e l s o u rw o r kg i v eae x p l a n a t i o nf o r t h i sp h e n o m e n o nf r o mp h a s e - r e s o l v e ds p e c u 融 k e y w o r d sp u l s a r s ；r a d i a t i o n m e c h a n i s m ；p h a s e - r e s o l v e ss p e c t r a ；i n t e g r a t e d p u l s e p r o f i l e s 一一 广州大学学位论文原创性声明 本人郑重声明。所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：砟缮砖日期：司年叫日 j 广卅大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：仞籀l 硷日期：湖7 年j - 月刁日 导师签名：多期：。函年石月j 1 日 第1 章绪论 橼冲星是能发出周期性信号的致密天体，典型半径约1 0 公里，质量 约1 个太阳质量，其核心密度可达到1 0 1 s g c m 3 。脉冲星磁场很强。一般 在l o s l o t 4 g 范围内，快速旋转的磁场可以感应出极强的电场，屯子在磁场 中加速运动，就可以产生各个波段的辐射。 随着脉冲星的搜寻和观测技术不断完善，已发现了1 7 0 0 多颗射电脉 冲星叫( a t n f 表) ，积累了相当丰富的观测资料。但在高能波段，受技 术限铋，观测资鞋相对来说比较少，目前已观测到有x 射线的脉冲星不 到1 0 0 颗1 2 1 ，而确认有伽马射线辐射的只有7 颗【3 l ，所以本文主要以射电脉冲 星为研究对象 - i - i 脉冲星的研究历史 脉冲星的研究历史可以追溯到1 9 3 2 年中予刚刚发现的时候。随后，物理 学家朗道提出在密度很高的情况下可能存在着简并中子气构成的星体，这就 是中子星的概念。1 9 3 4 年b a a d e 和z w i c h y 预言中子星可能是超新星爆发后留下 的致密核。之后，奥本海默和沃尔科夫在又理论上计算了中子星的质量、密 度和半径等参数。但由于中子星的直径很小，光学波段的辐射光度很小，所 以后来很长一段时间，观泓上没有发现对应的天体。 一直到1 9 6 7 年，蹦e 阳h e w i s h 在一次观测中接受到了一系列时间闯距糖 确盼相等的奇怪的脉冲信号，后来证实这一信号来自于致密天体的震荡，这 一发现验证了中子星的存在由于这种星体不断地发出电磁脉冲信号，人 们就把它命名为脉冲星脉冲星的自转很快，其中蟹状星云脉冲星周期最 短，只有3 3 毫秒，这样有规则的脉冲的产生是由于中子星的两个圆锥形的辐 射束高速自转产生的，这就是g o l d 提出的脉冲星的灯塔模型( 中子星自转模 型) 闯 之后一系列的发现使中子星的研究领域热了起来。1 9 6 9 年c o c k e 等人首 次探测到来自蟹状星云脉j 巾星的光学脉冲吼，三个月后，两个研究小组独 立地发现了c r a b 脉冲星的x 射线辐射。由于技术上的原因，y 射线的观测更 迟一些。几年以后人们通过鼢& 卫星发现了来自c 舟b 脉冲星和v e l a 脉冲星 广州大学硕士学位论文 ( p s r b 0 8 3 3 - 4 5 ) 的1 射线脉冲( 6 1 ，并发现了一颗新的脉冲m ：g e m l n g a 7 1 。 4 到现在为止发现的脉冲星可以分为以下几类：第一类是靠自转动能损失 提供辐射能量来源，大多数脉冲星都属于这一类。第二类是辐射光度大于自 转能损的脉冲星，主要有反常x 射线脉冲星( a x p a n o m a l o u s x - r a y e u l m r ) 和软y 射线重复爆( s g rs o f tg a m m ar e p e a t e r ) 第三类是超新星遗迹中 热辐射占主导的x 射线脉冲星称为暗热中子星( d 1 附d i m t h e r m a l n e u l r o n s t a r ) 和致密中心天体( c c oc o m p a c tc e n w a lo b j e c t ) 。第四类是双星系统中 的吸积x 射线脉冲星。迄今为止对脉冲星多波段的脉冲轮廓到达时间能谱流 量偏振等各方面的观测已经积累了相当丰富的观测资料。 4 0 年来，脉冲星的理论上也有了长足的进展，基于磁层方面基础性的工 作一一静态磁偶极模型【8 l ，人们提出了磁层中粒子加速多种模型，如极冠加 速区模型( 船j ，外间隙模型l 和环加速区模型等，并发展了各种类型的辐 射模型来解释脉冲星的多波段辐射【9 一1 4 1 1 2 前沿课题 1 2 1 加速区和辐射机制 脉冲星的辐射已经研究了4 0 多年，尽管各种模型都得到了较大的发展， 但是还没有最后答案。目前我们关于磁层辐射的基本理解是：具有强磁场的 快速自转的脉冲星能够产生强大的电场，典型的电压为1 0 1 4 7 ，比地球上最 强大的加速器还要强百倍。这个电压会加在磁层中的某些区域，称为加速 区。其中电子被加速获得极高的能量，并产生大量高能伽马射线；而高能伽 马光子会通过某些机制分解为电子对，因而会产生更多的电子，这种过程会 延续下去，称为电子对级联过程，后果是使得脉冲星磁层中充满了不同能量 的电子，正是这些电子产生了不同波段的辐射。存在的问题主要有两方面： 一是加速区的位置，现在已经有内间隙加速模型，外间隙加速模型，以及细 长间隙加速模型等，但到底哪种模型占主导地位? 二是射电辐射是如何产生 的，是等离子辐射还是粒子集体的相干曲率辐射或逆康普顿辐射? 这还有待 于在观测和理论上对脉冲星进行更全面和更深入的研究 1 2 2 中子星还是奇异星? 脉冲星刚被发现时，人们普遍认为脉冲星就是中子星。但是，随着夸克 理论的发展，许多研究表明脉冲星也可能是由奇异夸克物质组成的星体，称 一2 一 为奇异星1 1 5 1 中子星主要有核物质组成，而夸克星则由夸克物质组成。而 奇异星则是最有可能存在的夸克星研究表现，如果奇异夸克物质是自然界 比核子物质更稳定的物质形态，那么奇异星是可以在超新星爆发时形成并存 在的，并能够表现为脉冲星。从前被酱遍接受的脉冲星就是中子星的观念受 到挑战理论上，中子星和奇异星两者的质量半径关系的不同【1 6 ，前者满 足m 月3 ，而对于质量较小的奇异星mo ( 舻二者在观测上可能的差另吐 有：( 1 ) 奇异星可以比中子星转得更快，( 2 ) x 射线热谱，( 3 ) 星体表面 物质的性质，( 4 ) 是否有进动等等；观溅上鉴别二者的努力相应地集中在 亚毫秒周期脉冲星的搜寻、x 射线能谱、射电波段个别脉冲的特殊行为和脉 冲到达时间测量等几个方面【1 5 1 。2 3x 射线反常脉冲星和软伽马重复暴 一般认为，脉冲星辐射能量的来源于是靠自转动能损失提供的，但是 上个世纪8 蛑代以后在x 射线波观测到两类脉冲星一一反常) ( 射线脉冲星 ( a 】讲) 和软射线重复爆( s g r ) 。这两类天体的不同之处是，s g r 具有更 “硬”的光谱( 含有更多的高能辐射) ，而且是瞬闻爆发1 1 7 1 它们的共同之 处是。自转交慢产生的能量不足以提供其x 射线辐射的x 射线总能量，需要 额外的能量产生机制。天文学家罗伯特和克利额托夫提出一种可能的解释一 一磁星模型磁星模型认为；a x p 和s g r 产生于大质量恒星的超新星爆发， 具有超强磁场，在快速旋转时能购放出巨大的能量，吸积积模型认为：它们 都是具有一般强磁场的脉冲星，靠吸积周围的气体或团块物质，将引力能转 化为辐射能。现在还没有足够的证握来判别二者的对错1 1 8 j 。 1 2 4 弓i 力波探溯 爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在，但从1 9 1 8 年提出以来，除了 脉冲双星b 1 9 1 3 + 1 6 的辐射阻尼提供了引力波存在的一个间接证据外，直接 的实验还没有被探测到。这有两方面的的原因，一是只有强弓f 力场的天体才 能产生较强的引力波辐射，二是长期以来探测器的灵敏度不足以直接检验自 然界的引力波。 脉冲星成为研究引力波的空间实验室是从上世纪7 0 年代，一般有两 种方法。一种是测量短轨道双星系统的轨道参数。间接检验弓l 力波， 如1 9 7 4 年，z a y l o r 领导的小组发现了由两个靠近的脉冲星组成的双星系 统p s r l 9 1 ”1 6 ，公转周期在不断缩短。他们意识到它们可能发出引力波， 一，一 广州大学硕士学位论文 因此会慢慢损失能量，越靠越近。经过l o 余年的观测，观测到的周期的 变化和理论上由于引力波辐射导致的周期变化误差小于0 3 ，从而间接 证实了引力波的存在。另一种是1 9 7 9 年隗哺蝴出的对脉冲单星进行 长期监测，从脉冲到达时间残差中寻找低频引力波的踪迹。如8 0 年代， 普林斯顿大学的研究小组开始了对一些毫秒脉冲星到达时间的长期监 测，虽然尚未探测到引力波，但是对低频( 1 0 - s h z ) 引力波给出了一些限 定1 9 8 3 年，h e l l i n g s 和d o w n s 提出通过在空问均匀分布的多个脉冲星组成 的脉冲星阵来监测低频引力波。另外，国际上的几个大望远镜设备，美 国3 0 0 米a r i b o 望远镜、澳大利贬6 4 米p a r k e s 望远镜和英国j o d r d l b a n k 天文台 的7 6 米望远镜 a 9 0 年代起，都开展了定期的对十几个或更多毫秒脉冲星的监 测 1 3 本论文研究内容及意义 相位分离谱可以作为研究磁层中不同辐射区域辐射谱差异的工具，也为 从理论上研究哪些因素导致磁层中辐射谱的分布提供了观测基础。一方面， 在观测上，可以用不同相位谱的差异来解释脉冲星累积轮廓形状和宽度随频 率的各种变化，另一方面，在理论上。相位分离谱可能反映了磁层中不同区 域谱的差别，这有助于我们了解咏冲星的辐射区域的性质以及磁层的动力学 过程。即谱是脉冲星观测和理论的“中间桥粱”，通过对谱的性质的研究，可 以帮助我们从理论上解释脉冲星累积轮廓的各种观测特征。 本文通过绝对相位的方法得到了2 3 颗射电脉冲星的相位分离谱，揭示了 脉冲星的多种谱特征，这比传统的经验模型所研究的更为复杂，在理论上对 可能的原因进行了分析，同时对2 0 0 个源系统的研究了脉冲星宽度随频率的 交化关系，并将脉冲星谱随相位的变化和宽度随频率的变化两种现象有机结 合起来。 一一 第2 章脉冲星的观测性质及相关理论 自从1 9 6 7 年发现第一颗脉冲星以来，脉冲星的研究已有近4 0 年的历史。 到目前已经发现了1 7 0 0 多颗脉冲星的周期很稳定，目前脉冲星周期范围 是1 5m s 8 5 s ，但经过长期的精确测量，发现其周期在缓慢变长，周期变率 数量级在1 0 - 1 5 1 0 - 1 3 秒，秒，这比地球上最精确的原子钟的精度还高。已发 现的脉冲星大多集中在银河系中距离银河系中心大约l 旰秒差距，厚度大约 为l 千秒差距的层内，丽大多数毫秒脉冲星主要位于球状星团内 通过对脉冲星的观测特征和星际介质对其信号到达时问影响的研究，可 以帮助我们了解脉冲星的辐射性质，这对理解和限定射电辐射机制的理论有 重要作用。本章第一节和第二节主要介绍了射电脉冲星的累积脉冲轮廓和谱 的观测特征以及由这些观测量可以推导出来的一些主要物理量 在脉冲星射电辐射的研究中，对脉冲星本质的研究，有以下两条途径： 一是直接从观测资料入手，寻找规律，丽不涉及辐射理论本身，称之为经 验理论”。二是从理论入手，寻找合适的辐射机制来解释脉冲星的各种观测 现象。到目前为止，这两种方法还没能够完全统一起来【1 4 l 。本章第三节和第 四节将分别从这两方面进行介绍 2 1 脉冲星的主要观测特征 2 1 累积脉冲轮廓 累积脉冲轮廓是脉冲星的重要观测资料，它由成百上千个个别脉冲按周 期同步叠加得到。不同脉冲星累积脉冲的形状一般不同，但对给定的脉冲星 而言，累积脉冲的形状是长期稳定的。累积脉冲轮廓的形状多种多样，有单 峰、双峰，也有多峰( 最多观测到五峰) ，宽度一般为1 0 。3 0 。，约占岛转 周期的2 到l o 。少数脉冲星具有宽脉冲轮廓，如p s r b 0 8 2 6 - 3 4 ；j e 4 0 0 m h z _ 2 达1 8 0 。左右。累积脉冲轮廓的形状和宽度往往随观测频率变化，这将在第 三章和第四章中详细介绍。图2 - l 给出了三颗脉冲星不同频率的累积脉冲轮 廓 一，一 伯5 ，- 矗 ，奈类 次 ，列l 图2 1 三颗脉冲星的景积脉冲轮廓( l y n v & m l m c h e s t e r1 9 8 8 ) 嘲 f i g 2 - 1i n l e 肿嘲p u i 。e 雕m 蛔o f 岫硼h 疆( l y n e & m a h e s t e r l 9 8 8 2 1 ) 2 1 1 1 漂移子脉冲 脉冲星的子脉冲“窗口”中的辐射取决于脉冲星的微结构，其随时间交化 的尺度可以达到微秒甚至到纳秒的量级。一些脉冲星的子脉冲在辐射窗口中 的相位表现出有规律的移动，这就是“子脉冲漂移”现象 2 0 1 ( 图2 - 2 ( a ) ) 。这 些子脉冲不断的按顺序移动，经过一段时间后又回到原来的位置具有子脉 冲漂移的脉冲星的周期比较长，一般都大于1 秒f 2 l j 。 2 1 1 2 模式变换 虽然大多数脉冲星累积脉冲轮廓的的形状很稳定，但有些脉冲星的 累积轮廓的强度可能会突然发生变化，出现反常模式，这种现象叫做“模式 变换”，如图2 - 2 ( b 所示。对于模式变化的脉冲星，只有较长时间( 如几个小 时) 的观测，才能得到随时闻变化比较稳定的脉冲强度值 2 1 2 谱的性质 相对于大多数射电源，脉冲星的谱相当陡。文献【2 2 】对2 8 卟源的研 究表明，大多数射电脉冲星的谱都是一个很好的幂律谱，谱指数大约 为- - 1 8 士o 2 ，如图2 3 ( a ) 所示。有些脉冲星，在1 0 0 瑚z 左右的低频时谱会 出现反转例，即谱是分段的幂律谱，如图2 - 3 ( ”所示，其中“拐点对应的频 率，称为峰值频率p e a k 。但最近有工作发现，峰值频率p e a k 也有可能出现在 为l g 左右的高频处叫。这种现象可能是由于磁层的吸收效应、辐射机制的 有效损失功率、或者是星际介质的作用等原因造成的，目前对此还尚无明确 结论 一6 一 t i ) 漂移予脉冲 c o ) b 0 3 2 9 + 5 4 的模式变换 圈2 - 2 漂移子脉冲与模式变换i 刎 f i g 2 - 2d l j 蛐gp 】i l d m o 幽s w i t c h i n g l 2 0 t ；鉴 l l 置 h q - _ qo m t a ) 。” 0 ) 低频“反转恻 1 ( c ) 高颓“反转叫矧 图2 - 3 几颗射电脉冲星的辐射谱 f i g 2 - 3e m i b i e ns p e c t r ao f s e v e r a lr a d i op u l s m 2 2 主要的几个物理量 脉冲星的观测中直接给出的量是脉冲周期p 以及周期的一阶导p ，少数的 一些脉冲星也得到了二阶导数p ，通过这些量我们可以导出中子星的表面磁 场。自转能损以及特征年龄等物理量 一 一 九 一 广州大学硕士学位论文 2 2 1 自转能损 脉冲星的自转能损可以表示为 亩= 一m 血= 4 矿i p p 一3 4 l o s l k 户_ 1 5 r 3 e r g s ( 2 - 0 其中，p 二1 5 = 户( 1 0 一1 5 啪，转动惯量j 矗= i ( 1 0 艏c m 2 9 ) ，转动角速度q = 2 r p ，已知脉冲星的自转能损率在l o 裙一q r 8 范围内。 2 2 2 磁场强度 如果磁偶极辐射功率和自转能损相等，可得到脉冲星的表面磁场为， 口= 【鼍嚣】1 2 乩0 1 2 ( p p - 1 5 ) l 2 ( 妞矿- g 其中r = l o k m 为脉冲星半径，口为磁倾角，根据周期和周期便率计算磁场 时，一般假i g 。s i n c , = l ，已知的脉冲星磁场分布在1 0 8 1 0 1 4g 之间。 2 - 2 3 年龄 脉冲星的年龄 t ；斋【1 - ( 譬) “1 0 - 3 ) t 2 未知【1 。( ) ”1 1 其中n 为制动指数，昂为初始自转周期，通常取n = 3 ，如果脉冲星现在观测 到的周期远远大于初始自转周期岛，那么t = 嚣，这就是脉冲星的特征年 龄，是通常估计脉冲星年龄的方法。 2 3 脉冲星的经验模型 2 3 1 轮廓成分和辐射束结构 由于射电辐射是带电粒子沿着最外层开放磁力线运动时，通过曲率辐射 过程产生的，由于最外层开放磁力线附近的辐射很强，而磁轴附近几乎没 有辐射，这样就会形成以磁轴为中心的空心锥辐射柬，这就是所谓的“空心 锥模型”【筠l ，当观测者视线扫过辐射锥时，就会看到脉冲星的单峰或双峰轮 廓为了解释三峰以及多峰轮廓，人们改进了这个模型。在空心锥中引入一 一8 一 中间，铅笔芯状辐射束，根据不同的视线方向可给出单峰( s ) ；未分辩双 峰( d u ) ，分辨双峰( d r ) 和三蜂( t ) 四种轮廓嘲 p a n l d n 的经验理论嘲例认为辐射柬的绪构是一个中间”核辐射”加上外面 两个空心”锥辐射”，由于视线扫过辐射束的位置不同而观测到不同形状的轮 廓( 如图2 - 4 ) 。l y n e 和m a n c h e s t c r 贝l j 给出不同的图像，他们认为观测到的辐 射柬是辐射窗口和辐射源的分布图的乘积，辐射窗口包括空心锥和核两部 分，但辐射源并不一定充满窗口，因此可能观测不到核辐射例 脉冲轮廓分类和辐射束的结构是”经验理论”的核心内容，勘咄血给出了 核和锥辐射的主要观测差剔： 1 核辐射的谱较陡，锥辐射的较平 2 与锥辐射相比，核辐射的线偏振度较低，圆偏振度较商：核辐射中 心常有圆偏振反号现象，而锥辐射没有。 3 核辐射的线偏振位置角变化曲线较复杂，通常有”突跳现象，而锥辐 射一般为平滑的”s 域反”s ”形。 r a n k i n 推测核辐射和锥辐射起源于不同的辐射机制，而文献1 2 9 】的 工作等认为两种成分是逐渐变化的，机制相同，认为二者的差射 主要是几何效应引起的。有很多关于辐射束半径店周期p 之问的 关系的工作，如，r a n k i n 9 3 年的工作得出，在 g h z j ：，有关系眠。= 2 4 5 p 一2 s i n a ，p i 】a n e r = 4 。3 3 p - o - 砼，m 。t e r = 5 7 5 p 0 7 5 ，其中p 是脉冲星 的周期，w - 是指核成分轮廓半宽，p 是辐射束角半径嘲；而对于短 周期的脉冲星，有关系例，po cp - 1 3 ；最近有工作通过对9 颗脉冲星 用高斯成分分离的的方法f 3 1 l ，得出内锥和外锥的辐射束半径分别满 足，p = p 。& 5 1 o 璐，p = p - o 4 2 圭o m 等1 3 1 1 2 3 2 辐射束几何模型和旋转矢量模型 为解释线偏振位置角随相位变化的s ”型或反“s 型。文献【3 2 1 提出了线偏 振位置角的旋转矢量模型，即假设偏振位置角是由辐射点所在的磁力线平面 决定的，如图2 - 5 所示，坐标原点为脉冲星，极轴为脉冲星的自转轴，磁轴和 自转轴的夹角为口，视线为平行于赤道的小圆，与自转轴的夹角为( ，p 为辐 射束对应的锥角，赤道面内角度为脉冲观测相位，定义q 一“平面对应的相 一9 一 圈2 4m i n l 血给出的经验模型 位为初始相位。由球面几何关系，可以得到嘲， t 彻( 妒一) = 面石磊i s i n i a 石s i n 石五而( 2 棚 其中，毋是脉冲相位妒是偏振位置角，怕定义为q p 平面对应的偏振位置 角，口为磁倾角，e 为视线方向和磁轴之间的夹角，卢为视线和磁轴夹角的最 小值，满足p = e a 。而偏振位置角曲线的最大斜率满足， ( d 妒印妨m = s i n 口s m p ( 2 - 5 ) 根据球面三角关系，辐射束锥角半径p 可以表示成。 g m 2 ( p 2 ) = 8 i n 2 ( 彤2 ) s t m n 8 m ( 口+ 彩+ 8 i n 2 ( 多1 2 ) ( 2 - 6 ) 一l o 其中，弘西为脉冲相位全宽 圉2 - 5 辐射柬的几何模型 f i g 2 - 5g 蝴耽妇lm o d e l so f e m i s s i o nb e m m 2 4 脉冲星磁层和辐射机制理论 2 4 1 磁层中的加速区模型 脉冲星的辐射是高能带电粒子在磁场中运动产生的，这离不开磁层中 的加速区现在的各种加速区模型，如真空内间隙模型( i n n e r v a a j u l n g a p m o d e l ) 、狭长间隙模型( s l o t g a p m o d e l ) 、外间隙模型( o u t e r g a p m o d e l ) 和环加速区模型( a n n u l a rg a pm o d e l ) 等在加速区形成机制和加速区在磁层 中的位置等方面有很大区掰【l l ，下面将具体介绍 广捎大学硕士学位论文 2 4 1 1 真空内问隙加速区 r u d e r m a n 和s u t h e d a n d ( 1 9 7 5 ) 指出，在反平行转子中，由于中子星表面 离子束缚能足够强，可以将正离子束缚在表面；当极冠区正离子受某种扰动 向外流出时，由于不能从中予星表面得到补充，会在极冠区表面形成真空间 隙( g a p ) ，极冠区的感应电压全部加在g a p 两端，形成粒子加速区( 如图所 示2 - 6 ( a ) ) ，称为i n n e r g a p 3 3 近年来c , i l 等人发展了真空内间隙的火花放电 模型删，认为在内间隙加速区内，磁轴处是中心放电区域，囝绕磁轴会形成 若干间隔的环状火花放电区域，通常不超过3 个环火花放电模型能够比较 成功在解释子脉冲漂移等现象。 2 4 1 2 外加速区( o u t e rg a p ) c h e n ge ta 1 在空闻限制性电荷流动的假设和零电荷面两侧g j 电荷反号的 基础上，建立了外间隙模型。这个模型假设由于电荷流动，在零电荷面到最 外开放磁力线之间形成了接近真空的粒子加速区侧p 哪，后来的三维外间隙 模型【3 7 j 给出了加速区在外磁层( 指磁力线穿过零电荷面的区域) 中的部位 ( 图2 - 6 f b ) ) 。最近有工作细致地考虑了外加速区中的辐射、电子对产生和 粒子加速过程，在不同的边界条件下解出加速区中的电场分布和加速区的几 何位置例删外问隙模型主要用于解释高能辐射特征，但在解释射电辐射有 困难。 圈2 - 6 三加速区模型 ( c ) 环加速区 2 4 1 3 环加速区( a n n u l a rg a p ) 为解释脉冲星的射电辐射和7 射线辐射，q i 等2 0 0 4 提出一种新型加速区 一一环加速区( a a n d = g a p ) 4 0 1 ，该模型将以幄界磁力线为分界线把极冠区 一1 2 分为核区( c o r e p ) 和外围的环区( a n n u l a l ( 坤) 。核区的开放磁力线都 不跨越零电荷面，环区位于跨越零电荷面的最外层开放磁力线和临界磁力线 之间的环状区域内，如图所示2 - 6 ( c ) 所示。在此框架下。伽马射线脉冲星， 如c r a b ， l a 和g 棚d 马g a 的射电和伽马射线脉冲轮廓可以得到解释 2 4 2 强磁场中的辐射机耕 在强磁场中，电子的运动和辐射都有一些薪特点。下面介绍强磁场中几 种主要的辐射机制【4 1 j 2 4 2 1 同步辐射 相对论电子在磁场中运动时，会产生厨步辐射，单个电子的辐射功率为 p _ - d 万w = 譬铲f f j b 2 s i n 2 。tl 屉l 旷1 5 铲矿b 晰( 2 - 7 ) 由于是极端的相对论电子的辐射，同步辐射具有显著的方向性。辐射将集中 于以速度p 为轴线，半张角0 ；1 的狭小角锥之中。电子能量，y 越大，角锥越 小 2 4 2 2 曲率辐射 在强磁场中，相对论电子沿弯曲磁力线轨道运动；产生类似同步辐射特 点的曲率辐射，峰值频率为： 姚= 争言( 2 - 8 ) 辐射功率为 岛= 石7 4 告( 2 - 9 ) o ， 其中e 为电子电量，p 为磁力线曲率半径。相对论电子在脉冲星偶极场中，曲 率辐射特征频率正落在脉冲星射电辐射波段，另外，曲率辐射可以产生很高 的线偏振度，所以，它是一种可能的脉冲星辐射机制。但由于辐射效率低。 在射电波段仅占电子静能的1 0 - “，所以通常要考虑相干的曲率辐射 2 4 2 ，3 逆康普顿散射 逆康普顿散射是高能屯子与低能光子碰撞，将一部分动能转移给光子的 散射过程，等效于一种j 蟊射 过程出射光子频率，在实验室坐标系中，散 厂州大学硕士学位论文 射光子频率与入射光子频率之问满足关系， 助= 跫紫嚣糊( 2 - 1 耽，讥分别为实验室系中入射光子频率和光子方向与电子运动方向夹 角，和妒7 分别表示电子静止系中出射光子与实验室系电子运动方向夹 角，和与电子静止系中入射光子夹角。 2 4 3 几种射电辐射模型 2 4 3 1r s 模型 r s 模型是一个较为成功的模型，前面提到的内卯模型是它的一个重要 组成部分。内g a p 中的雪崩放电与脉冲星射电辐射有着紧密联系，基本图象 是：宇宙中的高能光子射入内g 印区，被强磁场吸收转化为电子对，这些初 级电子被电场加速到相对论速度，辐射高能光子；光子在g a p 内走过一段距 离，分裂为次级电子对，其数目远多于初级电子对；这种过程反复发生，最 终导致雪崩放电( 见图2 7 ( a ) ) ，g a p 区的加速电场消失，电子流出后，又重 新建立；流出g a p 的正电子在一定高度产生射电辐射 r s 模型遇到的困难主要有： 1 ) 由于靠近磁轴的磁力线曲率很大，难以产生核辐射； 2 ) 单电子辐射功率太低，难以解释1 0 一1 0 3 1k 的射电辐射亮温度，需 要引入饿束相干机制。但如何维持粒子”成柬”又是一个困难。 3 ) 不能够解释线偏振位置角的突跳，脉冲宽度随频率变化等观测现 象 2 4 3 2 逆康普顿散射模型 逆康普顿散射的基本假设有1 1 2 1 1 ：q ， 1 ) 中子星磁场是偶极场； 2 ) 存在内g a p 以及火花放电产生的低频电磁波，观测到的射电辐射是低 频光子与内g 棚速出来的高能电子通过i c s 过程产生的， 3 ) 低频波可以在中子星附近传播。 根据模型，可以计算得观测频率与磁轴与视线之间夹角以之间的关系， 如图2 7 ( b ) 所示，从理论上可以给出两到三个辐射束，对于周期很短的脉 一1 4 一 冲星，有一个核和一个内锥，对于长周期的脉冲星。有一个”核 和两个空心 锥( 内锥和外锥) ，这可以很好的解释部分观测事实。 但由于逆康普顿散射截面太小，一般认为不起主要作用，后来又有人提 出共振逆康普顿散射模型，入射光子是谐振频率时，散射截面可大大增加。 这将在3 4 部分详细介绍 一t s - 第3 章脉冲星射电波段的相位分离谱 3 1 引言 大多数脉冲星在射电波段的的谱可以很好地用幂律谱来表示，谱指 数a = - 1 8 士0 2 4 2 1 。尽管射电脉冲星累积轮廓的谱是单一的幂率谱，但是 对于大多数脉冲星，累积脉冲轮廓的宽度和形状随着频率都要发生变化， 说明脉冲星的不同相位的谱指数有所不同早些年已经有很多工作注意 到了这种现象，r a n l d n1 9 8 3 年提出，脉冲星辐射区域中对应有两种不同类 型的成分一核成分和锥成分，并且核成分的谱要比锥成分的谱陡。后来的