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乔国俊 北京大学天文学系

脉冲星辐射机制的探讨. 乔国俊 北京大学天文学系. 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 ！. ：. →. 辐射：高能粒子 + 曲线运动 ……. Goldreich & Julian, 1969; RS 1975. 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？. 可能的加速 + 辐射区 II. 内间隙模型 ● 表面束缚能： >10 keV

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  1. 脉冲星辐射机制的探讨 乔国俊北京大学天文学系

  2. 中子星如何产生辐射？ 引力 —热运动=》中子星大气：几厘米

  3. 脉冲星的磁层！ ： → 辐射：高能粒子+曲线运动…… Goldreich & Julian, 1969; RS 1975

  4. 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？

  5. 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

  6. 中子星的磁层 For Crab Pulsar:

  7. Mono-generator 地球: 太阳: For Crab Pulsar:

  8. 粒子的加速和辐射区在哪? 1. Gap：inner gap & outer gap2. Space Charge Limited Flow:Slot gap 3. Annular gap

  9. Outer gap model polar cap model

  10. 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! Acomparison between the models

  11. 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

  12. 漂移子脉冲 Backer (1973)

  13. 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… …

  14. Different gap heights:mode changing Rankin, 1986 Zhang,Qiao,Lin,Han,1997,ApJ.

  15. 原子吸收光子 强磁场中逆Compton散射 强磁场中电子的Landau能级： Bohr原子： . . 电子处于量子化 Bohr能级上 B 电子处于量子化 Landau能级上 强磁场中共振逆Compton散射： 原子共振吸收光子： Xia,Qiao,Wu,Hou,. 1985, A&A, 152, 93

  16. Mode changing Zhang,Qiao,Lin,Han, 1997

  17. 环区与核区放电点反向漂移 Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL

  18. The Annular Gap The radio and gamma-ray can be understood by annular gap at same time. Qiao,Lee,Wang,Xu,Han 2004a, ApJL

  19. Drifting sub-pulses PULSE LONGITUDE Drifting subpulses Taylor et al. (1975) Backer (1973)

  20. Bi-drifting: fitting Mclaughlin 2003,astr-ph/0310454 Qiao,Lee,Zhang,Xu,Wang,2004b, ApJL

  21. Core and conal emission beams Manchester,R.N. 1995 J. Astroph. Astr. 16,107 Rankin, 1983, ApJ,274,333 Core emission ! How to produce it?

  22. Emission beams in RS model Emission beams Hollow cone only! Ruderman & Sutherland, 1975 Low freq: wide beam! Rankin, 1983, ApJ,274,333

  23. Inverse Compton scattering (ICS) model Qiao, 1992 Qiao & Lin, 1998, AA; Qiao,Lin, Zhang,& Han, 2001,AA

  24. ? Obs. ICS model RS model The beaming frequency variation! Qiao,Liu, Zhang,& Han, 2001,AA Lyne & Manchester (1988) & Sieber et al. (1975),Kramer,(1994)

  25. PSR B2111+46: Multi-bands Obs. Pulse profiles: Gaussian fitting Zhang, Qiao, Han, Lee, Wang , AA,2007

  26. PSR B2111+46: Multi-bands Obs. Light curves Different components of same frequency come from different altitudes. Zhang, Qiao, Han, Lee, Wang , AA,2007

  27. Spark Model Polar cap region Gil & Sendyk, 2000

  28. 关于强磁场中的你康普顿（谐振）散射 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…”。

  29. 关于强磁场中的你康普顿（谐振）散射 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…”。

  30. 关于环间隙&漂移子脉冲 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)”。

  31. 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

  32. 外间隙模型涉及的三项重要内容 Cheng & Ruderman, 1976 向内流动的粒子？次级中性等离子体？ 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？

  33. Why the AG plays a important role? Theory:●outer gap <=> annular Observations:● very wide emission beams ● Bi-drifting sub-pulses… Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA Du, Han, Qiao, Chou, 2010, ApJ.

  34. Free flow: slot gap & Annular gap Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA

  35. The annular gap Qiao,Lee,Zhang,Wang, Xu, 2007,ChJAA the acceleration effect of AG is much higher efficiency!

  36. 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

  37. Slot GP模型涉及的三项重要内容 ⊙ 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？ Favorable region (Muslimov & Harding, 2004) Arons,J. 1983, ApJ

  38. Mono-generator 地球: 太阳: For Crab Pulsar:

  39. 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

  40. 累积脉冲的偏振 Xu et al.2000

  41. Position angle sweep fit with Rotation Vector Model Viewing Angle z Inclination Angle a Double-pole origin W ~157o z m a MP Pole B (IP) IP Pole A (MP) Line of Sight Wang et al.2006 Lyne & Manchester 1988

  42. 射电+伽玛==》辐射区域 Radio Gamma-ray Thompson et al. 1992 Wang.Qiao,Xu,Liu, 2006,MN From observation, the radiation location can be determined uniquely for this star.

  43. 辐射高度 & 偏振位置角突跳 Xu et al.2000,ApJ

  44. 偏振位置角的突跳 Xu, Qiao & Han, 1997, AA

  45. FERMI/LAT FERMI Observatory: Launch date: 11 June 2008 Two instruments: GBM: 8 keV – 40 MeV GRBs, transient sources LAT: main telescope 20 MeV to > 300 GeV Great improvements: 8000 cm2 at 1 GeV 0.8o at 1 GeV Large FOV - cover all sky in two orbits 3 hr

  46. Where we are… Pulses at 1/10th true rate

  47. Millisecond pulsars: pulse profiles in the Annular gap Du, Qiao, Han, Lee, Xu 2010, MN

  48. Modeled radio and Gamma-ray light curves for PSR J0034-0534 Gamma-ray Obs. Radio Obs. Du, Qiao, Chen 2012

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