脉冲星辐射的可能机制

out 如果中子星外部是真空，它满足 2 0 或 E an Pn cos r n1 n 0
E
out r R
1 P2 cos 3cos 2 1 2
1 r
r R
an Pn n 2 n 0 R
一般认为，在脉冲星 磁球中存在两个加速区： 极冠区－极冠加速器； 外间隙－外间隙加速器。
2、极冠加速器
两类极冠加速器： 真空间隙
（如Ruderman& Sutherland, 1975, Usov & Melrose, 1995)
空间电荷受限流动(SCLF)间隙
（ Arons & Scharlemann, 1979；Harding & Muslimov，1998）
在对 B(, )0
这些加速器可以 j 维持向上加速的电子的一稳定流和以 cGJ 维持正电子的向下流，这加热极冠。加速器电压 由对形成阵面（PFF）的高度确定，这再次大致 可与对产生平均自由程相比。但是SCLF加速器的 稳定性仍未通过时间相关模型来证认。
j cGJ
7 out out R R 2 3 E B B cos 0 c r 3 B0 R Bout 3cos2 1 2 r out out E B R E// ~ B0 out c B


比较电力和作用于一粒子上的引力：
表面处的边界条件：
Ein Eout
2 RB sin cos R B sin out 0 0 E c 2c RB0 P2 cos 3c
P0 1
P 1 cos cos
Sturrock, Astrophys. J. 164, 529 (1971).
在中子星外部
sin 3 cos ˆ ˆ Bout B0 R 3 er 3 e 2r r r B 3 r B0 R3
r c c rLight cylinder r
☆闭场线（close field lines）: 光柱内闭合的场线；
开场线（open field lines）:穿过光柱的场线。
☆极冠（polar cap）:所有开场线都穿过恒星表面上 的一个面，其面积为
Ap r
1、加速区
转动的磁化中子星是自然的单极感应器，可在真 空中产生巨大的电场 r
E (r ) c B(r )
和产生一大的表面电荷。 1 B E e 如果电荷密度值达到 4 2 c
于是平行于磁场的电场为零。这是力自由解，其中 电荷和磁场与恒星共转。
对已给定的Lorentz因子，
3C 3 / 2 c
C h / mc
电子Compton波长
° ² = c－磁场曲率半径。
该能量远低于ICS峰能， 在极端的Klein-Nishina极限中，CR光子的对产 生要求高得多Lorentz因子。所以ICS的PFF 可在比CR 的PFF低的高度处发生(Harding & Muslimov, 1998)。 PFF高度是加速长度 1/ E 和对衰变长度的和， 这均是磁场和脉冲星年龄的反函数。如果PFF大于一 个恒星半径，则磁场变得太弱使得对产生不能发生和 一PFF不存在。
即Goldreich-Julian电荷密度。
脉冲星磁球中一些重要的区域：
☆零电荷面（Null surface）:
e 0
即
当 // 时，该表面位于＝55o.
B r 0
☆光柱面(light cylinder)：当共转速度为光速时， 共转条件破坏。该条件定义了一个柱表面，其中
在中子星内部（理想导体 ），由欧姆定律
v j Ein Bin c
B 0

v E B in 0 in c
中子星表面的边界条件要求
No surface current
（1）真空间隙和SCLF的形成
由于在一强磁场中格子结构，存在作用于中子 星表面中荷电粒子的结合力，使得粒子加热，具有 温度（Usov & Melrose, 1995）
Z B0 5 Te 3.6 10 K 12 26 10 G B0 Ti 3.5 10 K 12 10 G
（Harding& Muslimov，2002)
在一较低的ICS对死亡 线之下，脉冲星不能产 生任何对且被预期是射 电宁静的。
（3）电场屏蔽和极冠加热
在SCLF加速器中，PFF之上的电荷的极化都作用于 屏蔽平行电场和由向下流动的粒子产生极冠的加热 （Arons，1983）。图3给出电场屏蔽的动力学。 原初电子 e p 从恒星表面向上假设且在PFF之上 不同的高度处产生对。 正电子减速且在与PFF 高度相比短的距离处转 身且每个反向的正电子 产生负电荷的一小超出。
5 0.73 0.8 0.4
对于电子 对于离子
其中B0是表面磁场强度和Z是在表面层中物质的原子数。
如表面温度Ts Ti ,e , 则电荷俘获于表面且 有真空电场E B0 R。
如表面温度Ts Ti ,e , 则电荷被“煮出”表面且可 在SCLF中沿开场线运动。
测量到的典型温度Ts (0.5 3.0) 106 K，对B0 <1013G,Ts >Ti,e , 有SCLF。但对高场脉冲星和magnetars，Ts <Ti,e，有真空间隙。
B(, )0 电子向上/向下加速，且
这两类粒子当其辐射的光子达到对阈值时产生 更多的对，引起一对雪崩和真空的突然放电。 间隙中势降在
2 Vvg B0 (RPC / 2)和0
之间振荡。
的SCLF中，一电子/正电子从 表面向上加速直到辐射的光子达到对阈值，其中 来自对的正电子/电子减速和向着中子星表面向下 加速。
磁球中电荷密度：
1 1 r e E B 4 4 c 1 r B B r B r r B 4 c 1 B B r 2 c 2 c
（2）死亡线（Death Lines）
对级联可由原初电子 的曲率辐射(CR)
(Daugherty& Harding, 1982)
或与恒星热X射线的共振 或 非共振的逆Compton散射 (ICS)
(Sturner et al., 1995)
引起。 由此产生两种 “死亡线” （death lines）
in out B B in out B// B//
in sin ˆr ˆ B r R B0 cosБайду номын сангаас e e 2
v r RB0 sin sin r ˆ ˆ Ein Bin e cos e r c c 2
如果真空不能包围一脉冲星， 不能是完全的力自由磁球，这 是因为在电荷无加速的情况中， 流或辐射存在。
一真实的脉冲星必须在真空和力自由这两种极 端之间工作，但一自恰的总的解仍未被找到！ Spitkovsky（2006， ApJ, 648, L51)研究表明一近力 自由磁球不能仅由从恒星表面流出的电荷产生，但要 求在表面之上磁球中产生的电荷的一额外的源。该电 荷的额外源被认为是加速粒子辐射的光子的电子－正 电子对的产生。 脉冲星磁球必须由相互处于平衡的自恰的力自由和非 力自由区域组成。 确定这些区域的结构的一种方法是研究电动力学的微 观物理和加速可发生的不同地点处的电荷。
对SCLF 加速器，CR光子仅可在年轻脉冲星（小 于等于10e7年）和几个毫秒脉冲星的情况中产生
（ Harding, & Muslimov, 2001；Hibschman & Arons, 2001)。
在死亡线之下的脉 冲星不能由CR光子产 生对。在CR对死亡线 之下，脉冲星仅可由 ICS光子产生对。
这样两类加速器由表面边界条件来区分：
对真空间隙， ( R) 0, E ( R) 0。 对SCLF， ( R) GJ , E ( R) 0。
这两类加速器由对级联的发展限制，粒子达到足 够高的Lorentz因子，由磁对产生过程辐射伽玛射线光 子，阈值条件为
2mc2 / sin B
2009年脉冲星天文学暑期讲习班
发射机制
张力 2009年7月28日，国家天文台
内容
一、脉冲星磁球简介
二、脉冲星磁球中加速区
三、脉冲星的射电发射 四、脉冲星高能辐射模型的一些问题
主要参考书和文献：
A. G. Lyne & F. Graham-Smith ,Pulsar Astronomy， 2006, Combridge Univ. Press Grenier，I. A. & Harding, A. K. 2006 ，arXiv:astro-ph/0604072 Harding, A. K. 2007 ， arXiv:0706.1542
Harding, A. K. 2007 ， arXiv:0710.3517
Cheng, K. S. et al. 2001 ， Inter. J. of Modern Physics A, 16, 4659
一、脉冲星磁球简介
脉冲星由一等离子体磁球所包围。该磁球可 由一偶极场近似。
考虑 B //
eB0 R 33 6 M ~ 2 10 g ， R ~ 10 cm eE// 9 c ~ ~ 10 1 GMm GMm ~ 1rad 1，B0 ~ 1012 G R2 R2 m p ~ 1.6 1024 g，e 4.8 1010 esu
G 6.6 108 dyne cm2g -2
2 p
rp R R / c
二、脉冲星磁球中加速区
标准的脉冲星磁球见右图。
基本参数：
角速度：， I ( I 转动惯量） 自转功率：E spr 特征年龄：t=/2 磁倾角：，视角： 光柱半径： R L c / 表面磁球：B p 极冠半角： sin PC ( R / c)1/ 2
其中 sin B 是光子传播方向和局部磁场间的夹角。具有 高Lorentz因子的沿磁场线运动的被加速粒子在相对于 场的很小角度（ 0 1/ ）处辐射伽玛射线光子。
随着它们通过弯曲的偶极场传播，其角度增加。 穿过一真空间隙的电压当一偏离伽玛射线穿过在间隙 内的磁场时由磁对产生过程产生对。 在极冠之上对 正电子在相反方向中加速，如图所示。

B0 R5 an 0 除非 a2 3c out E

B0 R5 r , P2 cos 3 3cr
B0 R5 P2 cos cos sin ˆ ˆ e e r 4 4 c r r
如果中子星外部是真空的，该星可产生巨大的 电场从表面抽出离子。所以中子星（脉冲星）必 须由等离子体所包围。 因为等离子体是极好的导体，在稳态中，该等离 子体必须与该星共转和满足力自由条件：所有r处有
r FL e E (r ) c B(r ) 0