环加速间隙下的脉冲星星风制动模型
发布时间：2022-01-14 10:49
脉冲星是快速旋转、拥有强磁场的中子星。每旋转一周会产生一个辐射脉冲。其辐射范围覆盖了从射电到γ全部的电磁波段。虽然早在上个世纪60年代就已经发现了脉冲星,但是关于脉冲星的辐射机制至今仍然是个谜。一般认为脉冲星的辐射起源于其转动能,这意味着脉冲星如果发生辐射的变化则会相应的伴随其自转的变化。而在实际观测中也确实发现了一些脉冲星的自转与其辐射存在一定的关系,比如自转减慢率和辐射强度同时发生变化。因此可以以此为切入点,通过研究脉冲星的自转及其制动问题去反过来探索脉冲星它的辐射机制问题。星风制动模型考虑脉冲星磁层中的带电粒子在外流和加速过程中会产生辐射并且带走一部分转动能,从而影响脉冲星的自转。因此星风模型可以自然的解释脉冲星的自转问题以及自转和辐射之间的相互关联问题。前人已经运用星风制动模型很好的解释了间歇脉冲星周期性的在射电噪比射电宁静状态下更大的自转减慢率,以及模拟一般脉冲星的自转演化。星风模型依赖于磁层中的加速间隙,此前前人的工作主要是运用了某一种加速间隙或者是同时运用两种加速间隙共存的模型,如真空间隙等。但真实的脉冲星磁层却实际存在了多种加速间隙,如真空间隙、外间隙、环间隙、狭长间隙...
【文章来源】：广州大学广东省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
第一颗射电脉冲星CP1919观测得到的结果[3]
第1章引言图1-2银河系中一些脉冲星的分布图[6]超新星爆发时形成的冲击波摧毁并向外弥散，与星际介质相互作用形成星云状超新星遗迹[7]。1967年发现脉冲星后不久，人们相继在船帆座超新星遗迹和蟹状星云中分别发现了Vela和Crab脉冲星，这有力的支持了脉冲星起源于超新星爆发的理论。脉冲星的自转周期非常稳定可以用来充当精确的原子钟。当存在伴星的时候，其超强的引力场可以用来检验广义相对论[8]。1974年美国天文学家Taylor和他的学生Hulse发现了射电脉冲双星。之后又通过双星高速绕转如果产生引力波则会带走能量从而使轨道衰减，并实际测到了轨道衰减率，间接地验证了这一双星系统的引力辐射，Einstein预言的引力波第一次得到了观测证据。2017年的双子星并合的引力波事件GW170817更是直接的探测到了引力波，并且观测到了其后续的电磁现象。它比2015年LIGO探测器观测到的双黑洞并合产生引力波多了一个电磁波段观测的窗口，这开启了一个多信使天文学的新纪元。1.2脉冲星的内部和外部组成1.2.1脉冲星内部的结构如图1-3所示为脉冲星内部的组成示意图。可以看到脉冲星其核心1km主要是固态超子核，从1km-9.7km主要是超流中子流体，并含有少量的超流质子、电子，最外层从9.7km-10.6km则主要是由自由中子和自由电子以及一些重原子核组成的固态外壳[9]。一般来说，典型脉冲星的半径为10km，密度为4.75×1014g·cm3，质量为1.4倍的太阳质量，磁感应强度为1012Gs。观测到的自转周期为1.4ms-23.5s[10–12]。脉冲星巨大的角速度和磁场是由于超新星爆发后角动量守恒和磁通量守恒造成的。2
第1章引言图1-3脉冲星内部的组成[9]1.2.2脉冲星外部的磁层及其辐射自转极快的脉冲星由于单极感应效应会产生极强的感应电场，一方面这一极强感应电场会把脉冲星的带电粒子从星体表面拉拔出来到磁层中[13,14]。另一方面如图1-4所示：在脉冲星磁层加速间隙内1处的背景高能光子在强磁场作用下会产生正负电子对，并在加速电场下分别按照两个相反的方向运动(形成正负电荷分离的磁层，见图1-5)。在2处的电子又在加速电场下被加速至高能，然后高能电子在沿磁力线运动的过程中会通过曲率辐射产生高能光子，高能光子在强磁场作用下又在3处产生了正负电子对，依此类推在5处和6处等等也都是这样。这就会最终导致在脉冲星磁层的加速间隙中大量的正负电子对产生和雪崩放电过程，并击穿加速间隙，这种放电过程一直持续到高能光子的平均自由程与加速间隙的高度相当。然后出射到间隙外的初级粒子最终会产生大量的等离子体，并在沿开放磁力线外流的过程中产生相干的射电辐射[13]。因此脉冲星的磁层中是充满带电粒子的，如图1-5所示，由于磁冻结效应这些带电粒子将随脉冲星的磁层共转。但由于不能超过光速，共转只能延伸到一定的半径范围内，即一般认为的光速圆柱半径Rlc=c，c为光速，为脉冲星的角速度。光速圆柱把磁层分为闭合磁力区和开放磁力区，闭合磁力区为最后一根闭合磁力线包围的区域，开放磁力区(也可称极冠区)为最后一根开放磁力线包围的区域，由于引力相对于电磁力太小可忽略不计，这里只考虑洛伦磁力。在闭合磁力区带电粒子随磁层共转并处于静电平衡的状态，属于静态磁层，所受的洛伦磁力为0：E+×rc×B=0,(1-1)其中E为电场，B为磁常计算得到静电平衡状态下闭合磁力区的电荷密度为：3
【参考文献】：
期刊论文
[1]Pulsar braking:magnetodipole vs.wind[J]. Hao Tong. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(01)
[2]Braking PSR J1734–3333 with a possible fall-back disk[J]. Xiong-Wei Liu,Ren-Xin Xu,Guo-Jun Qiao,Jin-Lin Han,Hao Tong. Research in Astronomy and Astrophysics. 2014(01)
[3]An Annular Gap Acceleration Model for γ-ray Emission of Pulsars[J]. Ke-Jia Lee. Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics. 2007(04)
硕士论文
[1]毫秒脉冲星轮廓宽度随频率演化的研究[D]. 陈绮惠.广州大学 2019
[2]脉冲星模式变换的分类研究[D]. 张颜荣.广州大学 2019
本文编号：3588369
【文章来源】：广州大学广东省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
第一颗射电脉冲星CP1919观测得到的结果[3]
第1章引言图1-2银河系中一些脉冲星的分布图[6]超新星爆发时形成的冲击波摧毁并向外弥散，与星际介质相互作用形成星云状超新星遗迹[7]。1967年发现脉冲星后不久，人们相继在船帆座超新星遗迹和蟹状星云中分别发现了Vela和Crab脉冲星，这有力的支持了脉冲星起源于超新星爆发的理论。脉冲星的自转周期非常稳定可以用来充当精确的原子钟。当存在伴星的时候，其超强的引力场可以用来检验广义相对论[8]。1974年美国天文学家Taylor和他的学生Hulse发现了射电脉冲双星。之后又通过双星高速绕转如果产生引力波则会带走能量从而使轨道衰减，并实际测到了轨道衰减率，间接地验证了这一双星系统的引力辐射，Einstein预言的引力波第一次得到了观测证据。2017年的双子星并合的引力波事件GW170817更是直接的探测到了引力波，并且观测到了其后续的电磁现象。它比2015年LIGO探测器观测到的双黑洞并合产生引力波多了一个电磁波段观测的窗口，这开启了一个多信使天文学的新纪元。1.2脉冲星的内部和外部组成1.2.1脉冲星内部的结构如图1-3所示为脉冲星内部的组成示意图。可以看到脉冲星其核心1km主要是固态超子核，从1km-9.7km主要是超流中子流体，并含有少量的超流质子、电子，最外层从9.7km-10.6km则主要是由自由中子和自由电子以及一些重原子核组成的固态外壳[9]。一般来说，典型脉冲星的半径为10km，密度为4.75×1014g·cm3，质量为1.4倍的太阳质量，磁感应强度为1012Gs。观测到的自转周期为1.4ms-23.5s[10–12]。脉冲星巨大的角速度和磁场是由于超新星爆发后角动量守恒和磁通量守恒造成的。2
第1章引言图1-3脉冲星内部的组成[9]1.2.2脉冲星外部的磁层及其辐射自转极快的脉冲星由于单极感应效应会产生极强的感应电场，一方面这一极强感应电场会把脉冲星的带电粒子从星体表面拉拔出来到磁层中[13,14]。另一方面如图1-4所示：在脉冲星磁层加速间隙内1处的背景高能光子在强磁场作用下会产生正负电子对，并在加速电场下分别按照两个相反的方向运动(形成正负电荷分离的磁层，见图1-5)。在2处的电子又在加速电场下被加速至高能，然后高能电子在沿磁力线运动的过程中会通过曲率辐射产生高能光子，高能光子在强磁场作用下又在3处产生了正负电子对，依此类推在5处和6处等等也都是这样。这就会最终导致在脉冲星磁层的加速间隙中大量的正负电子对产生和雪崩放电过程，并击穿加速间隙，这种放电过程一直持续到高能光子的平均自由程与加速间隙的高度相当。然后出射到间隙外的初级粒子最终会产生大量的等离子体，并在沿开放磁力线外流的过程中产生相干的射电辐射[13]。因此脉冲星的磁层中是充满带电粒子的，如图1-5所示，由于磁冻结效应这些带电粒子将随脉冲星的磁层共转。但由于不能超过光速，共转只能延伸到一定的半径范围内，即一般认为的光速圆柱半径Rlc=c，c为光速，为脉冲星的角速度。光速圆柱把磁层分为闭合磁力区和开放磁力区，闭合磁力区为最后一根闭合磁力线包围的区域，开放磁力区(也可称极冠区)为最后一根开放磁力线包围的区域，由于引力相对于电磁力太小可忽略不计，这里只考虑洛伦磁力。在闭合磁力区带电粒子随磁层共转并处于静电平衡的状态，属于静态磁层，所受的洛伦磁力为0：E+×rc×B=0,(1-1)其中E为电场，B为磁常计算得到静电平衡状态下闭合磁力区的电荷密度为：3
【参考文献】：
期刊论文
[1]Pulsar braking:magnetodipole vs.wind[J]. Hao Tong. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(01)
[2]Braking PSR J1734–3333 with a possible fall-back disk[J]. Xiong-Wei Liu,Ren-Xin Xu,Guo-Jun Qiao,Jin-Lin Han,Hao Tong. Research in Astronomy and Astrophysics. 2014(01)
[3]An Annular Gap Acceleration Model for γ-ray Emission of Pulsars[J]. Ke-Jia Lee. Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics. 2007(04)
硕士论文
[1]毫秒脉冲星轮廓宽度随频率演化的研究[D]. 陈绮惠.广州大学 2019
[2]脉冲星模式变换的分类研究[D]. 张颜荣.广州大学 2019
本文编号：3588369
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