脉冲星的演化PPT课件

1、脉冲星的演化脉冲星的演化 张力2009年7月29日，北京 20092009年脉冲星天文学暑期讲习班年脉冲星天文学暑期讲习班内容内容15.0 15.0 引言引言15.2 15.2 诞生特征诞生特征15.3 15.3 转动率的演化：死亡线转动率的演化：死亡线15.1 15.1 脉冲星种类脉冲星种类15.5 X15.5 X射线双星和毫秒脉冲星射线双星和毫秒脉冲星15.4 15.4 磁场演化磁场演化15.0 引言引言恒星的演化：初始质量恒星的演化：初始质量 起到了决定性的作用。起到了决定性的作用。中子星中子星:质量对中子星演化作用很小；质量对中子星演化作用很小； 研究中子星的演化主要是利用观测到研究中

2、子星的演化主要是利用观测到的周期和周期导数：的周期和周期导数：见见PA0 韩金林韩金林15.1 脉冲星的种类脉冲星的种类脉冲星最重要的两个观测参脉冲星最重要的两个观测参数：数：P、 从从P-Pdot图上可看出，脉冲图上可看出，脉冲星主要分为星主要分为3类，即：正常脉冲星类，即：正常脉冲星、毫秒脉冲星和强磁星（、毫秒脉冲星和强磁星（magnetars）。）。 正常脉冲星和毫秒脉冲星之间正常脉冲星和毫秒脉冲星之间由吸积由吸积X射线脉冲星联系起来。射线脉冲星联系起来。PA8 王陈王陈正常脉冲星：正常脉冲星： 占观测到脉冲星的占观测到脉冲星的90%周期：周期：30 ms- 8 s周期导数：周期导数：1

3、0-13- 10-17 ss-1表面磁场：表面磁场：1011-1013 G。年青脉冲星位于左上部，大。年青脉冲星位于左上部，大部分与超新星遗迹成协。产部分与超新星遗迹成协。产生伽玛射线、生伽玛射线、X X射线辐射；射线辐射； 年老的位于右下角，接近死年老的位于右下角，接近死亡线。年龄约亡线。年龄约10107 7yryr，年龄，年龄更大的更大的B/PB/P太低，不能产生太低，不能产生电子对。年老脉冲星太冷而电子对。年老脉冲星太冷而没有观测到热辐射；没有观测到热辐射； 正常脉冲星位于双星系统中正常脉冲星位于双星系统中的较少。的较少。毫秒脉冲星：毫秒脉冲星： 周期：周期：1.4 ms P50 ms周

4、期导数：周期导数：10-18 ss-1表面磁场：表面磁场：108-1010 G起源：双星系统中再加速脉冲起源：双星系统中再加速脉冲星星。不与超新星遗迹成协。不与超新星遗迹成协 毫秒脉冲星大部分位于双星毫秒脉冲星大部分位于双星系统中。系统中。 尽管磁场显著低于正常脉冲尽管磁场显著低于正常脉冲星，但转动能损率与正常脉星，但转动能损率与正常脉冲星相当，高能辐射值得研冲星相当，高能辐射值得研究究强磁星强磁星(magnetar)AXP+SGR长周期：长周期： 5-12 s,X射线光度：射线光度： 1035-36 erg/s (BB T 0.4-0.7 keV + high-energy tail), 大

5、于转动能损大于转动能损，能源？，能源？大周期导数大周期导数 (B 1014-15 G).http:/www.physics.mcgill.ca/pulsar/magnetar/main.html18 magnetars:8 SGRs(4confirmed+4candidates)10AXPs(9 confirmed,1 candidate)PA12 PA12 乔国俊老师将进一步介绍乔国俊老师将进一步介绍X X射线脉冲星和强磁星的知识射线脉冲星和强磁星的知识吸积吸积X射线脉冲星射线脉冲星(Accreting X-ray pulsars)High-mass companion (HMXB):You

6、ngX-ray pulsars: magnetic chanelling of accretion flowCyclotron resonance features B=(1-4)1012GLow-mass companion (LMXB):Likely old (low-mass companions, globular cluster environment)Mostly non-pulsating (but QPOs, ms pulsations): weak magnetic field角动量和能量发生转移，建立了正常脉冲星和毫秒脉冲星之间的联系。角动量和能量发生转移，建立了正常脉冲星

7、和毫秒脉冲星之间的联系。注意：注意：X射线起源与脉冲星的射线起源与脉冲星的X射线辐射起源不一致！射线辐射起源不一致！脉冲星的空间分布脉冲星的空间分布正常脉冲星与毫秒脉冲星的空间分布明显不同正常脉冲星与毫秒脉冲星的空间分布明显不同正常脉冲星主要位于银道面正常脉冲星主要位于银道面毫秒脉冲星空间分布纬度较高，许多位于球状星团中毫秒脉冲星空间分布纬度较高，许多位于球状星团中15.2 诞生时的特征诞生时的特征 Blackett(1947)提出天体磁矩（提出天体磁矩（=BR3）正比于角动量）正比于角动量,因此因此如果角动量守恒，则可形成强磁场的白矮星。如果角动量守恒，则可形成强磁场的白矮星。 Ginzbu

8、rg(1964) 和和Woltjer(1964)提出天体的磁通量提出天体的磁通量 (BR2)守恒，简并星可产生强磁场。守恒，简并星可产生强磁场。中子星诞生时角动量和磁通量守恒！中子星诞生时角动量和磁通量守恒！正常脉冲星诞生正常脉冲星诞生于超新星爆发！于超新星爆发！B10111013GB105107GB101000G磁通量守恒磁通量守恒 BR2B10161018GB1071010GB101000G角动量守恒角动量守恒BR3中子星中子星R106cm白矮星白矮星R109cm恒星恒星R1011cm角动量守恒：初始周期角动量守恒：初始周期ms毫秒脉冲星诞生毫秒脉冲星诞生于吸积于吸积X X射线射线双星双星

9、质量转移导致：质量转移导致： 转动加速转动加速 磁场衰减？磁场衰减？对于转动供能脉冲星，下面有：对于转动供能脉冲星，下面有：脉冲星诞生时的基本参数：脉冲星诞生时的基本参数：（以正常脉冲星为例）（以正常脉冲星为例）诞生率：根据超新星爆发率估计诞生率：根据超新星爆发率估计 1/(30-100)年，或年，或1/50年年初始空间分布初始空间分布初始速度：初始速度：Circular转动速度随机速度转动速度随机速度 circular速度由银河引力势确定，随机速度按速度由银河引力势确定，随机速度按 Maxwellian分布，其中分布，其中3维速度弥散约为维速度弥散约为 1.73100 km/s (Lorim

10、er et al. 1997).初始周期：初始周期：Circular转动速度随机速度转动速度随机速度初始周期：初始周期： 确定一脉冲星周期的最可靠的方法是知道超新确定一脉冲星周期的最可靠的方法是知道超新星爆发史制动指数的测量：如星爆发史制动指数的测量：如0:19Crab PmsLyne et al. (1993) 0150958:63PSRBPms按此方法已估计处按此方法已估计处4颗脉冲星的初始周期。颗脉冲星的初始周期。 Van der Swaluw &Wu (2001) Van der Swaluw &Wu (2001)证明了脉冲星星证明了脉冲星星云（云（ PWN PWN）半

11、径是脉冲星的初始周期的函数和该半）半径是脉冲星的初始周期的函数和该半径与超新星遗迹向前激波半径的比可提供初始周期径与超新星遗迹向前激波半径的比可提供初始周期的测量。的测量。. .(1/(1)0(1)12ncnTPPT脉冲星真实年龄Van der Swaluw &Wu (2001Van der Swaluw &Wu (2001，ApJ, 555, L49)ApJ, 555, L49) De Jager (2008)提出使用提出使用PWN的的GLAST的观测来的观测来估计脉冲星的初始周期的方法。估计脉冲星的初始周期的方法。脉冲星诞生时的初始周期：一般认为几毫秒，在脉冲星诞生时的初始

12、周期：一般认为几毫秒，在估计脉冲星特征年龄时，一般认为远小于脉冲星估计脉冲星特征年龄时，一般认为远小于脉冲星演化到现在的周期，忽略不计；演化到现在的周期，忽略不计；初始速度：初始速度：“kick” (见见PA8 王陈王陈)一般满足分布：一般满足分布：当研究脉冲星的统计性质时，一般利用当研究脉冲星的统计性质时，一般利用样本合成样本合成(population synthesis)方法估方法估计脉冲星诞生时的相关性质，如诞生计脉冲星诞生时的相关性质，如诞生率率(根据超新星爆发率估计根据超新星爆发率估计)、初始周、初始周期、初始磁场、初始速度、初始空间期、初始磁场、初始速度、初始空间分布等，选取合适的

13、初始参数，在银分布等，选取合适的初始参数，在银河引力势的作用下演化到现在，通过河引力势的作用下演化到现在，通过与观测样本的比较估计诞生时的初始与观测样本的比较估计诞生时的初始参数分布参数分布（见孙晓辉报告）（见孙晓辉报告）。15.3 转动率的演化：死亡线转动率的演化：死亡线当假定磁场无演化且没有双星中的相互作用时，由于损当假定磁场无演化且没有双星中的相互作用时，由于损失能量，周期变大，当假定在有限年龄失能量，周期变大，当假定在有限年龄( (10107 7yr)yr)内脉内脉冲星的磁场不发生衰减，正常脉冲星在冲星的磁场不发生衰减，正常脉冲星在P-PdotP-Pdot图中将图中将沿一磁场为常数的直

14、线移动到右下端，直到死亡线。沿一磁场为常数的直线移动到右下端，直到死亡线。死亡线对应于死亡线对应于P-PdotP-Pdot图上某一直线，当脉冲星的周期增图上某一直线，当脉冲星的周期增加到该直线下时，电子对产生加到该直线下时，电子对产生 条件条件不满足，该条件为（不满足，该条件为（Chen & Ruderman 1993Chen & Ruderman 1993）：）：A A：纯中心偶极：利用磁对产生条件：纯中心偶极：利用磁对产生条件：死亡线为死亡线为B B：扭曲的偶极：利用磁对产生条件：扭曲的偶极：利用磁对产生条件：死亡线为死亡线为C C：SunspotsSunspots位形：利

15、用磁对产生条件：位形：利用磁对产生条件：死亡线为死亡线为e.g.Chen & Ruderman （1993）给出了极冠区域四种磁场结给出了极冠区域四种磁场结构的死亡线。构的死亡线。死亡线的位置由加速机制和位置决定死亡线的位置由加速机制和位置决定15.4 磁场演化磁场演化中子星的磁场的产生和演化是一个长期的问题中子星的磁场的产生和演化是一个长期的问题 (e.g. Bhattacharya and van den Heuvel, 1991; Ruderman, 1991 a,b,c; Bhattacharya et al. 1992; Chanmugam,1992; Lewin et al

16、. 1993; Phinney and Kulkarni, 1994)。 一般认为射电脉冲星的磁场在几百万年的时标一般认为射电脉冲星的磁场在几百万年的时标上衰变上衰变(e.g.Ostriker and Gunn1969; Lyne and Smith, 1990; Narayan and Ostriker 1990)。Bhattacharya et al. ( 1992)的近期的分析推出孤立的射电脉冲星的磁的近期的分析推出孤立的射电脉冲星的磁场在场在100Myr的时标上可不衰变。但是磁场的的的减的时标上可不衰变。但是磁场的的的减小似乎发生于双星质量转移期间。小似乎发生于双星质量转移期间。 28

17、383222000Ifwithconstant,111122if constant and 2sKKtKttK PA5 王娜研究员偶极磁场的演化偶极磁场的演化利用转动频率的泰勒级数展开，根据利用转动频率的泰勒级数展开，根据B=3.3*1019 (PPdot)*0.5,表明表明Crab在过去在过去33年磁场的增长率为年磁场的增长率为10-4 yr-1。在最初的在最初的500年增加，随后年增加，随后500年没有增加！年没有增加！制动指数也发生变化！在达到制动指数也发生变化！在达到n=3的磁偶极场后正的磁偶极场后正处于下降时期。处于下降时期。见参考书见参考书177页图页图15.2。 对对Crab脉冲

18、星脉冲星35年的观测数据表明磁场在变！转动率年的观测数据表明磁场在变！转动率v（=1/P）的泰勒级数展开为：）的泰勒级数展开为：1/P1/2()sBPP特征年龄的变化特征年龄的变化111(1)2ccPnPdndtLyne 20062 nPKPLyne 2006对于磁偶极辐射，对于磁偶极辐射，n=3n=3通常通常n3n8M + 1M B：8M + 5M C：7M + 5M D：8M + 8M MSPs:MSPs:双星系统中吸积伴星物质再加速的脉冲星双星系统中吸积伴星物质再加速的脉冲星Stairs（ 2004, Science, 304, 547)给出了下面的四种演化途径：给出了下面的四种演化途径： A： 8M + 1M Result：