脉冲星的高辐射能精选文档.ppt

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1、脉冲星的高辐射能本讲稿第一页，共四十九页1 1、脉冲星的基本特性、脉冲星的基本特性2 2、脉冲星的观测结果、脉冲星的观测结果3 3、描述脉冲星高能辐射的模型、描述脉冲星高能辐射的模型 外间隙模型外间隙模型内容内容本讲稿第二页，共四十九页1 1）中子星观念的提出中子星观念的提出1 1、脉冲星的基本特性、脉冲星的基本特性Baade&Zwicky(1934)提出宇宙中存在中子星 Oppenheimer&Volkoff(1939)估计了中子星的第一个态方程：质量 1.4 太阳质量；半径 10 公里；密度1014 g cm-3 .Pacini(1967)Pacini(1967)提出来自转动的中子星的电磁

2、提出来自转动的中子星的电磁辐射可以驱动辐射可以驱动CrabCrab星云星云 本讲稿第三页，共四十九页Pulses from the Vela Pulsar2 2）脉冲星的发现）脉冲星的发现19671967年，年，Jocelyn BellJocelyn Bell每天每天早上在射电望远镜中早上在射电望远镜中都观测到短的、规则的、象时钟一样的辐射脉冲。都观测到短的、规则的、象时钟一样的辐射脉冲。Hewish Hewish 等人等人(Hewish et al.1968,NatureHewish et al.1968,Nature)发现发现了了一颗一颗射电射电发射的快速脉冲源发射的快速脉冲源PSR B1

3、919+21.PSR B1919+21.Gold(1968,Nature)Gold(1968,Nature)指出脉冲星就是表面磁指出脉冲星就是表面磁场场1012G1012G的的中子星。中子星。本讲稿第四页，共四十九页3 3）脉冲星的分类）脉冲星的分类 孤立中子星：孤立中子星：通过快速自转变慢辐射能量通过快速自转变慢辐射能量（一般（一般 0)0)。脉冲脉冲X X射线源：射线源：双星系统中的致密天体（一双星系统中的致密天体（一般为中子星）；从正常伴星中吸积物质般为中子星）；从正常伴星中吸积物质(P10s secs,dP/dt0)dP/dt0)。已观测到大部分脉冲星自转变慢，即已观测到大部分脉冲星自

4、转变慢，即dP/dt0dP/dt0。所以它们损失转动能可以说明观测。所以它们损失转动能可以说明观测吗？吗？本讲稿第七页，共四十九页 转动磁偶极子的能损：转动磁偶极子的能损：磁场与周期和周期倒数的关系：磁场与周期和周期倒数的关系：脉冲星年龄的估算：脉冲星年龄的估算：本讲稿第八页，共四十九页 Pulsar pictureLight cylinderOpenmagnetosphereRadio beamr=c/w wBClosed magnetosphereNeutron starmass=1.4 solar massesradius=10 kmB=10 to 10 Tesla49本讲稿第九页，共四

5、十九页Pulsar model本讲稿第十页，共四十九页2 2、脉冲星的观测结果、脉冲星的观测结果1）射电波段：2000 2000 2000 2000 颗脉冲星颗脉冲星颗脉冲星颗脉冲星 本讲稿第十一页，共四十九页本讲稿第十二页，共四十九页2）X射线波段：51颗X射线脉冲星彩色的符号表示探测彩色的符号表示探测到到X X射线脉冲射线脉冲转动驱动的脉冲星分布转动驱动的脉冲星分布28颗正常脉冲星 23颗毫秒脉冲星本讲稿第十三页，共四十九页3 3）高能伽玛射线：）高能伽玛射线：History:SAS 2,COSB(1970s-1980s).EGRET(1990s)Coming satellite:GLAS

6、T本讲稿第十四页，共四十九页（1）EGRET观测成果Increased number of IDs sources by large factors本讲稿第十五页，共四十九页发现了170颗未证认的伽玛射线源本讲稿第十六页，共四十九页（2 2）观测到的伽玛射线脉冲星）观测到的伽玛射线脉冲星 Crab脉冲星 Vela脉冲星 PSR B150958 PSR B104658 PSR B170644 PSR B195132 PSR B105552 Geminga脉冲星本讲稿第十七页，共四十九页Pulses at multi-wavebands本讲稿第十八页，共四十九页Energy spectra of

7、gamma-ray pulsars本讲稿第十九页，共四十九页3 3、描述脉冲星高能辐射的模型、描述脉冲星高能辐射的模型目前有两类公认的模型：目前有两类公认的模型：（1 1）内间隙模型内间隙模型 (Harding et al.1978,ApJ 225,226;Daugherty&Harding 1982 ApJ 252,337;1996 ApJ 458,278;Zhang&Harding,2000,ApJ;Sterner et al.1995,ApJ 445,736).（2 2）外间隙模型）外间隙模型 (Cheng,Ho,Ruderman,1986,ApJ 300,500;300,522;Chi

8、ang&Romani 1994,ApJ 436,754;Romani,1996,ApJ 470,469,Zhang&Cheng 1997,ApJ 487 370;Hirotani&Shibata 2001,MNRAS 325,1228)本讲稿第二十页，共四十九页Schematic geometry of polar and outer gaps.Dark solid regions are thin gaps of younger pulsars.Hatched regions are thick gaps of older pulsars本讲稿第二十一页，共四十九页（1 1）我们的外间隙模型

9、我们的外间隙模型我们的外间隙模型我们的外间隙模型正负电子由外间隙中正负电子由外间隙中 E E|加速加速相对论性相对论性 e e+/e/e-通过同步曲率辐射通过同步曲率辐射和和ICIC过程产生高能伽玛射线过程产生高能伽玛射线来自表面的软来自表面的软X X射线由回流电流与射线由回流电流与NSNS表面碰撞产生。在外间隙中高表面碰撞产生。在外间隙中高能伽玛射线与这些软能伽玛射线与这些软X X射线碰撞产射线碰撞产生正负电子对，从而维持外间隙生正负电子对，从而维持外间隙存在。存在。本讲稿第二十二页，共四十九页我们的厚间隙模型我们的厚间隙模型我们的厚间隙模型我们的厚间隙模型（Zhang&Cheng,1997

10、,ApJZhang&Cheng,1997,ApJZhang&Cheng,1997,ApJZhang&Cheng,1997,ApJ）Outer gap size：Luminosity：Spectrum本讲稿第二十三页，共四十九页 特点特点：(1)(1)自洽性自洽性自洽性自洽性;(2)(2)普普普普适适适适性性性性。对对对对一一一一给给给给定定定定的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲星星星星（即即即即周周周周期期期期P P和和和和表表表表面面面面磁磁磁磁场场场场B B已知），可估计伽玛射线光度和能谱。已知），可估计伽玛射线光度和能谱。已知），可估计伽玛射线光度和能谱。已知），可估计伽玛射线光度和能谱。本讲稿第

11、二十四页，共四十九页依次模型，我们开展了系列的工作依次模型，我们开展了系列的工作1)Conversion efficiency of gamma-ray pulsars.2)The statistics of gamma-ray pulsars.3)Radiation features of X-ray pulsars.4)The statistics of X-ray pulsars.5)The contribution of gamma-rays from pulsars to Galactic gamma-rays.6)The contribution of positrons from

12、 pulsars to Galactic positrons.7)Unidentified gamma-ray sources and gamma-ray pulsars.本讲稿第二十五页，共四十九页2)Three-Dimensional Model3D magentic structure,the phase profile and phase-resolved spectra.Application to Crab pulsar.Phase-resolved high-energy features of Crab-like pulsars.Phase-resolved high-ener

13、gy features of Geminga pulsar.本讲稿第二十六页，共四十九页3)Crab X-ray pulses,HE Emission of AXPs and SGRsZhang,L.&Cheng,K.S.2002,ApJ,569,872本讲稿第二十七页，共四十九页Cheng&Zhang,2001,ApJ,562,918Zhang,&Cheng,2002,ApJ,579,716本讲稿第二十八页，共四十九页3)MS Pulsars HE Emission弱磁场，短周期Zhang&Cheng,K.S.2003,A&A,398,639本讲稿第二十九页，共四十九页4)New versi

14、on of outer gapmagnetosphere geometry inclination effectObservation indicates(Thompson et al.2001):L L sd.ZC97 model predicts L (B/P)0.3,e.g,the ratio of(B/P)0.3 for PSR B1055-52 to that for Geminga is 0.9.But,the observed ratio 8(Kaspi et al.2000).本讲稿第三十页，共四十九页Outer gap:Outer gap:f0(P,B)=5.5 P 26/2

15、1 B-4/712本讲稿第三十一页，共四十九页Gamma-ray LuminosityRadio-loud:L L 0.30 sd Radio-quiet:L L 0.38 sd 本讲稿第三十二页，共四十九页Solid line:lg L 20.42+0.38lg LsdDashed line:lg L 3.25+0.30lg Lsd本讲稿第三十三页，共四十九页Death lines of the pulsars with self-sustained outer gaps.(1)Crab-like(2)Vela-likeChen&Ruderman 1993(3)ZC97 model(4)un

16、iform(5)cosineNew modelDeath lines Zhang,L.et al.2004,ApJ,604,317Cheng,K.S.,Zhang et al.2004,ApJ,608,418本讲稿第三十四页，共四十九页Pulsed X-ray luminosity of normal X-ray pulsarsX-ray LuminosityZhang&Jiang,2005,A&A本讲稿第三十五页，共四十九页Gamma-ray statistical propertiesZhang,Han,Jiang,2005,A&A,429,489本讲稿第三十六页，共四十九页HE prop

17、erties of High-field PulsarsZhang,Jiang,2005,ApJ,631High-filed:1013-1014 G 28 high-pulsar pulsars本讲稿第三十七页，共四十九页谢谢！谢谢！本讲稿第三十八页，共四十九页脉冲星高能辐射平均谱脉冲星高能辐射平均谱 Zhang&Cheng,1997,ApJ,487,370Cheng&Zhang,1998,ApJ,498,327本讲稿第三十九页，共四十九页脉冲星辐射的转换效率脉冲星辐射的转换效率 Return Zhang&Cheng,1998,MNRAS,294,177Solid boxes:OursEmpt

18、y triangles:Harding,1981Empty diamonds:Dermer&Sturner 1994本讲稿第四十页，共四十九页 X-X-射线脉冲星的辐射特性射线脉冲星的辐射特性 Return Cheng,Gil&Zhang,1998,ApJ,493,L35Cheng&Zhang 1999,ApJ,515,337本讲稿第四十一页，共四十九页 X-X-射线脉冲星的统计性质射线脉冲星的统计性质 Return Zhang&Cheng 1999,ApJ,526,327本讲稿第四十二页，共四十九页 射线射线脉冲星的统计特性脉冲星的统计特性 Return Cheng&Zhang 1998,A

19、pJ,498,327本讲稿第四十三页，共四十九页 射线脉冲星产生的射线脉冲星产生的 射线对银河射线对银河 射线的贡献射线的贡献 Zhang&Cheng,1998,MNRAS,294,327Return本讲稿第四十四页，共四十九页Cosmic positrons Return Comparison of observed e+/(e-+e+)ratio with predicted ones.The short-dashed curve is the ratio of positron background and total electron background given by Moska

20、lenko&Strong(1998).The solid,long dashed and dot-dashed curves are the ratios including the contribution of the mature gamma-ray pulsars with birth rates of one per 100 yrs,one per 50 yrs and one per 30 yrs respectively.(Zhang&Cheng,2001,A&A)本讲稿第四十五页，共四十九页未证认的未证认的 射线源与射线源与 射线脉冲星的关系射线脉冲星的关系 Solid lin

21、es:gamma-ray selection effectDashed lines:radio&gamma-ray selection effectsZhang&Cheng,1998,A&A,335,234Zhang,Zhang&Cheng,2000,357,957本讲稿第四十六页，共四十九页 Geminga Return Phase-resolved and phase-averaged gamma-ray spectra of the Geminga pulsarEmission projection and pulseprofile for Geminga parameter.Panel

22、 A:Photon emission from thepulsar as a function of phase.Panel B:Pulse profile.本讲稿第四十七页，共四十九页 Crab 3D structure of the outer gapsThe spectra of CrabZhang,Cheng,K.S.Mei,D.C.2000,CPL,17,544Cheng,K.S.Ruderman,M.Zhang,L.2000,ApJ,537,964本讲稿第四十八页，共四十九页 PSR B1509-58 Emission projection onto the(,)plane and pulse profile.Panel A:photon emission;Panel B:radial distance vs.;Panel C:pulse profile.The spectrum of PSR B1509-58Zhang&Cheng 2000,A&A,363,575本讲稿第四十九页，共四十九页