乔国俊 北京大学天文学系

脉冲星辐射机制的探讨

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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

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中子星的磁层

For Crab Pulsar:

Mono-generator

地球 :

太阳 :

For Crab Pulsar:

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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 ?

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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

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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

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漂移子脉冲

Backer (1973)

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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

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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

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Zhang,Qiao,Lin,Han, 1997

Mode changing

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环区与核区放电点反向漂移

Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL

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The Annular Gap

Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL

The radio and gamma-ray can be understood by annular gap at same time.

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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

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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?

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Emission beams in RS model

Ruderman & Sutherland, 1975

Emission beams

Hollow cone only!

Rankin, 1983, ApJ,274,333

Low freq: wide beam!

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Inverse Compton scattering (ICS) model

Qiao, 1992Qiao & Lin, 1998, AA; Qiao,Lin, Zhang,& Han, 2001,AA

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RS model

Qiao,Liu, Zhang,& Han, 2001,AA

Lyne & Manchester (1988) & Sieber et al. (1975),Kramer,(1994)

The beaming frequency variation!

?Obs.

ICS model

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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

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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

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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

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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

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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

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Free flow: slot gap & Annular gap

Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA

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The annular gap Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA

the acceleration effect of AG is much higher efficiency!

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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

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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:

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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

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累积脉冲的偏振

Xu et al.2000

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~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

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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

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辐射高度 & 偏振位置角突跳

Xu et al.2000,ApJ

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偏振位置角的突跳

Xu, Qiao & Han, 1997, AA

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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

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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 !

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Primary polar current and the return current

Arons,2007

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