年轻脉冲星的周期跃变分析
发布时间：2021-08-09 04:54
周期跃变是一种罕见而奇特的现象,是指少数脉冲星在短时间内自转速率突然跳变增加。截至目前,在190颗脉冲星当中,共计探测到555次跃变事件。自1969年首次在Vela脉冲星当中发现跃变现象以来,尽管跃变样本逐渐增多,但是并未发现该类现象的明显规律。此外,三种用于解释跃变的产生机制的理论模型,都有着各自的局限性,且几十年来并未取得大的进展。本篇论文的工作是利用南天区最好的Parkes射电望远镜继续跃变的观测研究。该工作中,对每颗脉冲星计时观测的时间跨度为3到7年不等。通过拟合计时残差,我们在20颗脉冲星当中探测到32次跃变事件。其中,有28次跃变为新的发现;而另外4次是已经发表过的跃变,但是我们更新了跃变后的自转行为,均呈现出不同程度的指数恢复。这些跃变的幅度Δv/v在0.75×10-9和8.6×10-6之间,也是呈双峰分布的结构。值得注意的是,有8颗脉冲星是首次探测到跃变的发生。这些跃变行为通常为正常的跃变;而PSR J1602-5100中发生的跃变则是极其罕见的慢跃变,也是目前为止探测到最大幅度的慢跃变Δvmax/v～1...
【文章来源】：西华师范大学四川省
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PSRB2334+61中的跃变：(a)相对于跃变前自转频率变化Δ；(b)Δ的放大图，跃变后的自转频率减去跃变后的平均值；(c)跃变前后的的变化
前言2当前，在约3000颗脉冲星当中，仅发现190颗脉冲星总计约555次周期跃变现象[8]。其中，在吸积供能脉冲星SXP1062和PSRJ0613-0200当中分别发现了目前最大和最小的跃变事件，其跃变的相对幅度分别为Δ~1.37×103和Δ~2.5×1012[9]。此外，著名的船夫座Vela脉冲星和蟹状星云Crab脉冲星都是跃变最为频繁的脉冲星。尽管跃变现象的样本逐渐增多，但是目前并未发现跃变现象的明显规律；除了统计上发现的以下特征[4]：跃变幅度呈双峰分布，两个峰值分别为106(大跃变)和109（小跃变）；大幅度的跃变通常发生在年轻的脉冲星当中，并且伴随着指数恢复；周期跃变主要发生在特征年龄为103~105年的脉冲星当中；由于时间噪声的存在，小的跃变现象很难探测；磁星当中的跃变通常伴随着流量的爆发。除了短时标的自转突然加快的正常跃变现象以外，还有两类更为罕见的跃变现象：一类是慢跃变现象（SlowGlitch）；另一类是反跃变现象（Anti-glitch）。慢跃变现象（图1-2）是邹伟贞等人2004年在脉冲星PSRB1822-09中发现的自转速率以指数形式缓慢的增加，持续时间为340天；该过程中自转减慢率突然减小到最小值之后，再以指数形式恢复到跃变之前的值[10]。目前在6颗星当中发现了30次慢跃变现象[8]。反跃变现象（图1-3）是Archibald等人2013年第一次在磁星IE2259+586中发现的自转突然减慢的现象，同时伴随着流量的爆发[11]。图1-2PSRB1822-09慢跃变。参考邹伟贞等人的工作[10]。
前言3图1-3磁星IE2259+586反跃变发生时的计时和流量特征。参考Archibald等人的工作[11]。理论上，认为跃变行为是由于中子星内部结构的改变，造成观测上的自转加快现象。目前解释理论主要有三种。第一种是星震模型。星震模型认为，脉冲星自转加快是中子星星壳的弹性应力的突然释放引起的。具体的，在中子星旋转速度减慢过程中，这种弹性应力逐渐积聚在原子核晶格所组成的固态星壳内；某一时刻，应力突然释放导致椭率变化，并使星体转动惯量突然减小；为保持星体角动量守恒，使得中子星转速突然增加[12]。然而该模型与观测不符，通过模型预测的跃变时间间隔远长于观测结果。而来小禹等人认为如果脉冲星本质是奇异星，而不是中子星，星震模型则仍可以用以解释跃变[13]。第二种是超流模型。该模型认为﹐中子星壳层和壳层中核晶格里的中子超流的旋转速度不同，由于某种机制，导致核晶格里的中子超流外流，最终把角动量转移到外壳，因此导致观测上的外壳旋转加快[14]。第三种是中子星和外界交换能量、角动量模型，如中子星星风制动导致反跃变或者吸积造成磁星发生跃变时伴随X射线发射等[15]。综上所述，脉冲星周期跃变是一种奇特而罕见的自转不稳定现象。50年过去了，观测上仍无法预测跃变的发生，且理论模型也未取得良好的进展。目前随着FAST具有全世界最高灵敏度的观测条件，能够观测那些极暗的脉冲星；同时Parkes射电望远镜在不断更新观测系统，改善了脉冲星计时观测条件。这些都将有利于跃变的跟踪监测，以及帮助理解跃变现象背后的物理机制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Measuring clock jumps using pulsar timing[J]. ZhiXuan Li,KeJia Lee,Ricardo Nicolaos Caballero,YongHua Xu,LongFei Hao,Min Wang,JianCheng Wang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2020(01)
[2]PSR J1016-5857的周期跃变分析[J]. 周世奇,张洁,袁建平,冯中文,唐棋,朱晓丹. 西华师范大学学报(自然科学版). 2018(01)
[3]超新星和中子星[J]. 李宗伟. 天文学进展. 1985(04)
本文编号：3331408
【文章来源】：西华师范大学四川省
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PSRB2334+61中的跃变：(a)相对于跃变前自转频率变化Δ；(b)Δ的放大图，跃变后的自转频率减去跃变后的平均值；(c)跃变前后的的变化
前言2当前，在约3000颗脉冲星当中，仅发现190颗脉冲星总计约555次周期跃变现象[8]。其中，在吸积供能脉冲星SXP1062和PSRJ0613-0200当中分别发现了目前最大和最小的跃变事件，其跃变的相对幅度分别为Δ~1.37×103和Δ~2.5×1012[9]。此外，著名的船夫座Vela脉冲星和蟹状星云Crab脉冲星都是跃变最为频繁的脉冲星。尽管跃变现象的样本逐渐增多，但是目前并未发现跃变现象的明显规律；除了统计上发现的以下特征[4]：跃变幅度呈双峰分布，两个峰值分别为106(大跃变)和109（小跃变）；大幅度的跃变通常发生在年轻的脉冲星当中，并且伴随着指数恢复；周期跃变主要发生在特征年龄为103~105年的脉冲星当中；由于时间噪声的存在，小的跃变现象很难探测；磁星当中的跃变通常伴随着流量的爆发。除了短时标的自转突然加快的正常跃变现象以外，还有两类更为罕见的跃变现象：一类是慢跃变现象（SlowGlitch）；另一类是反跃变现象（Anti-glitch）。慢跃变现象（图1-2）是邹伟贞等人2004年在脉冲星PSRB1822-09中发现的自转速率以指数形式缓慢的增加，持续时间为340天；该过程中自转减慢率突然减小到最小值之后，再以指数形式恢复到跃变之前的值[10]。目前在6颗星当中发现了30次慢跃变现象[8]。反跃变现象（图1-3）是Archibald等人2013年第一次在磁星IE2259+586中发现的自转突然减慢的现象，同时伴随着流量的爆发[11]。图1-2PSRB1822-09慢跃变。参考邹伟贞等人的工作[10]。
前言3图1-3磁星IE2259+586反跃变发生时的计时和流量特征。参考Archibald等人的工作[11]。理论上，认为跃变行为是由于中子星内部结构的改变，造成观测上的自转加快现象。目前解释理论主要有三种。第一种是星震模型。星震模型认为，脉冲星自转加快是中子星星壳的弹性应力的突然释放引起的。具体的，在中子星旋转速度减慢过程中，这种弹性应力逐渐积聚在原子核晶格所组成的固态星壳内；某一时刻，应力突然释放导致椭率变化，并使星体转动惯量突然减小；为保持星体角动量守恒，使得中子星转速突然增加[12]。然而该模型与观测不符，通过模型预测的跃变时间间隔远长于观测结果。而来小禹等人认为如果脉冲星本质是奇异星，而不是中子星，星震模型则仍可以用以解释跃变[13]。第二种是超流模型。该模型认为﹐中子星壳层和壳层中核晶格里的中子超流的旋转速度不同，由于某种机制，导致核晶格里的中子超流外流，最终把角动量转移到外壳，因此导致观测上的外壳旋转加快[14]。第三种是中子星和外界交换能量、角动量模型，如中子星星风制动导致反跃变或者吸积造成磁星发生跃变时伴随X射线发射等[15]。综上所述，脉冲星周期跃变是一种奇特而罕见的自转不稳定现象。50年过去了，观测上仍无法预测跃变的发生，且理论模型也未取得良好的进展。目前随着FAST具有全世界最高灵敏度的观测条件，能够观测那些极暗的脉冲星；同时Parkes射电望远镜在不断更新观测系统，改善了脉冲星计时观测条件。这些都将有利于跃变的跟踪监测，以及帮助理解跃变现象背后的物理机制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Measuring clock jumps using pulsar timing[J]. ZhiXuan Li,KeJia Lee,Ricardo Nicolaos Caballero,YongHua Xu,LongFei Hao,Min Wang,JianCheng Wang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2020(01)
[2]PSR J1016-5857的周期跃变分析[J]. 周世奇,张洁,袁建平,冯中文,唐棋,朱晓丹. 西华师范大学学报(自然科学版). 2018(01)
[3]超新星和中子星[J]. 李宗伟. 天文学进展. 1985(04)
本文编号：3331408
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