非中性相对论等离子体在脉冲星磁层中的运动
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和 Ｊ ＬＡ Ｕ Ｉ Ｎ于 １ ６ ９ ９年 提 出 的一种 稳 态脉 冲星 磁 层 中应 有 的 电荷密 度 ， 随高度 和 方位 变化 ．只要 满
使正 负 电荷 完 全 分 离 ， 以 流 出加 速 区边 界 的 初 所 级粒 子 流 由单 种 电荷 组 成 ， 足 本 地 ＰＪ 洛 仑 兹 满 Ｃ，
强 电场 ， 级 正负 电子 不 能完 全 分 离 ， 同初 级 粒 次 连
子一 同流 出 脉 冲星 （ 间 隙加 速 区 情 形 ）或 流 向 内
脉 冲星极冠 区 （ 问隙 情 形 ） 外 ．整体 电 中性 的 次级
足 Ｇ Ｊ电荷密 度分 布 ， 磁层 中就 没 有平 行 于 磁 场 的 电场分 量 Ｅ 也 就不 会 产 生 加 速 ．但 实 际 上 由于 ，
远小 于 电子 动能 ， 因此 忽 略 辐射 能损 ； 在 次 级粒 ② 子 流动 过程 中不 再 有 正 负 电 子对 产 生．由于 次 级
粒 子 的辐射 主要 在 射 电 波段 到 ｘ射 线 波 段 ， 些 这 光 子无 法在 磁 场 中分 裂 为 正 负 电子 对 ， 由 于 磁 而
详 细 的计 算 ， 并讨 论 加速 区共 存 的可能 性 ．
１ 基本 物理 图像
不论 哪种 加 速 区 模 型 ， 冲 星 磁 层 中 非 中性 脉
场 和背景 光 子 密 度 的急 剧 降低 ， 端 相 对 论 性 的 极 初级 粒子 产 生 的高能 光 子在 远 离 加 速 区 的区 域分
荷 密度 Ｐ ． 在 加速 区外 ， 则 上 需 要 用 磁 流 体 力 学 处 理 原
加 速 区外必 然存 在局 部 的 电场 。这个 电场有 多 大 ？ 间隙加 速 区 区外 粒子 速 率 如 何 变 化 ？等 离 子 体 能 否 满 足 本 地 Ｐ， Ｃ？此 前 Ｃ Ｅ Ｇ ＆ Ｒ Ｄ Ｒ Ｎ Ｊ Ｈ Ｎ Ｕ Ｅ ＭＡ 简 单 的估 计 表 明若 要 满 足 Ｐｊ 次 级 等 离子 体 中正 ＇ Ｃ， 负 电子需 要 有 一 定 速 率 差 ， 为 这 会 引起 等 离 子 认 体双 流不 稳定 性 ， 导致 离 子成 束相 干辐 射 ．但 其方
该 电压差远 小于磁 层加速 区的总电压 差．该结果对研 究磁 层 中粒子能谱 的不均 匀性是 有意义的．
关 键 词 ：脉 冲 星 ； 层 ； 射 机 制 磁 辐
中 图分 类 号 ： ４ ． Ｐ１５ ６
文 献标 志 码 ： Ａ
脉 冲星 的辐射 起 源 于磁 层 中大 量 的相 对 论 性 等离 子体 ．关于 现有 的脉 冲 星磁层 加 速 区模 型 ， 如 外 间隙加 速 区模 型 ¨ Ｊ 内 间隙 加 速 区模 型 、 、 狭 长 间隙加 速 区模 型 ＿ 和 环 加 速 区模 型 ＿ ， 遍 ６ ８ 普 Ｊ 认 为 加速 区 能 产 生 稠 密 的非 中性 等 离 子 体 ， 常 通 假 设在 间隙加 速 区外 等离 子 电荷 密度 能满 足 本 地 Ｇ Ｊ电荷 密 度 （ Ｃ） Ｊ电荷 密 度 是 Ｇ Ｌ Ｒ Ｉ Ｈ Ｐ Ｊ ．Ｇ ＇ Ｏ Ｄ ＥＣ
文章 编 号 ：６ １４ ２ （０ ０ ０ － ６ －４ １７ —２９ ２ １ ） ６０ ５０ ０
非 中 性 相对 论 等 离 子 体 在 脉 冲 星 磁 层 中 的 运 动
王 洪 光 ，刘 怡 ，吕 铭
（ 州 大学 物 理 与 电子 工 程 学 院 ， 东 广 州 广 广 摘 ５０ ０ ） １０ ６ 要 ： 讨 了脉 冲 星磁 层 加 速 区外 磁 流 管 中 非 中 性 相 对 论 等 离Hale Waihona Puke Baidu 体 的 运 动 学 特 征 ．在 满 足 净 电荷 密 度 处 处 探
因子 从 １ 到 １ 。 些 初 级 粒 子 通 过 曲率 辐 ０ ０ ．这
射， 同步 辐射 或逆 康普 顿 散 射 产 生 光 子 ， 光 子 与磁 场或低 能 光 子 （ Ｘ射 线 或 光 学 ）作 用 转 化 为
次 级 电子对 ， 数 密 度 远 大 于 Ｇ『 其 －电荷 数 密 度 ， 并 继 承 了 光 子 的 向外 的 动量 ．由于 加 速 区外 没 有
法 简单 ， 忽略 了不 同磁 力线 的差 别 ．本 文 给 出更 且
这 些次 级等 离子 体沿 磁 流 管 流动 所 引 起 的平 行 电 场 ．这 里从 运 动学 的角 度进 行分 析 ， 然 可 以得到 仍 对 平行 电场 数量 级 的估计 ．所用 的基 本假 设包 括 ： ① 次级非 中性 等 离 子 形 成 以 后 ， 子 辐 射 能 损 失 粒
第 ９卷
２１ ０ ０年
第 ６期
１ ２月
广州 大学 学 报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｕｎ ｚｏ ｎｖｒｔ（ ａ ｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ｏ Ｇ ａｇｈ ｕＵ ｉｅｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｉ ｕ ｅ ｉ
Ｖｏ． Ｎｏ ６ １９ ．
Ｄ ｃ ２ １ ｅ． ００
等 于 Ｇ ｌｒｉ ～ｕｉ ｏ ｅｃ Ｊｌ ｎ电荷 密度 的 条件 下 ， 算 了不 同磁 倾 角和 不 同磁 力 线上 的 次 级 正 负 电子 速 度 分 布 ．结 果 表 ｄ ｈ ａ 计 明 ， 子 速 度 经 历 显 著 的加 速 或 减 速 ．在 靠 近 自转 轴 一 侧 的上 半磁 层 和 靠近 赤 道 一 侧 的 下 半 磁 层 ， 级 电子 加 电 次 速 或 减 速 的 图像 有 显 著 不 同．沿磁 力 线 平 行 电 场 的 总 电压 差 所 引起 的 电 子 动 能 改 变 与 电子 初 始 动 能 相 当 ， 但
磁 力线 是 弯 曲的 ， 子 速率不 变 （ Ｅ 粒 即 严格 为零 ） 情 况下 ， 离 子 体 电荷 密 度 将 偏 离 Ｐ 所 以 间 隙 等 …
等 离子 体 和初 级等 离子 混 合 构成 了非 中性 等 离子 体 ， 流 出加 速 区初 始 时刻 整 体 上 满 足 本 地 净 电 在
使正 负 电荷 完 全 分 离 ， 以 流 出加 速 区边 界 的 初 所 级粒 子 流 由单 种 电荷 组 成 ， 足 本 地 ＰＪ 洛 仑 兹 满 Ｃ，
强 电场 ， 级 正负 电子 不 能完 全 分 离 ， 同初 级 粒 次 连
子一 同流 出 脉 冲星 （ 间 隙加 速 区 情 形 ）或 流 向 内
脉 冲星极冠 区 （ 问隙 情 形 ） 外 ．整体 电 中性 的 次级
足 Ｇ Ｊ电荷密 度分 布 ， 磁层 中就 没 有平 行 于 磁 场 的 电场分 量 Ｅ 也 就不 会 产 生 加 速 ．但 实 际 上 由于 ，
远小 于 电子 动能 ， 因此 忽 略 辐射 能损 ； 在 次 级粒 ② 子 流动 过程 中不 再 有 正 负 电 子对 产 生．由于 次 级
粒 子 的辐射 主要 在 射 电 波段 到 ｘ射 线 波 段 ， 些 这 光 子无 法在 磁 场 中分 裂 为 正 负 电子 对 ， 由 于 磁 而
详 细 的计 算 ， 并讨 论 加速 区共 存 的可能 性 ．
１ 基本 物理 图像
不论 哪种 加 速 区 模 型 ， 冲 星 磁 层 中 非 中性 脉
场 和背景 光 子 密 度 的急 剧 降低 ， 端 相 对 论 性 的 极 初级 粒子 产 生 的高能 光 子在 远 离 加 速 区 的区 域分
荷 密度 Ｐ ． 在 加速 区外 ， 则 上 需 要 用 磁 流 体 力 学 处 理 原
加 速 区外必 然存 在局 部 的 电场 。这个 电场有 多 大 ？ 间隙加 速 区 区外 粒子 速 率 如 何 变 化 ？等 离 子 体 能 否 满 足 本 地 Ｐ， Ｃ？此 前 Ｃ Ｅ Ｇ ＆ Ｒ Ｄ Ｒ Ｎ Ｊ Ｈ Ｎ Ｕ Ｅ ＭＡ 简 单 的估 计 表 明若 要 满 足 Ｐｊ 次 级 等 离子 体 中正 ＇ Ｃ， 负 电子需 要 有 一 定 速 率 差 ， 为 这 会 引起 等 离 子 认 体双 流不 稳定 性 ， 导致 离 子成 束相 干辐 射 ．但 其方
该 电压差远 小于磁 层加速 区的总电压 差．该结果对研 究磁 层 中粒子能谱 的不均 匀性是 有意义的．
关 键 词 ：脉 冲 星 ； 层 ； 射 机 制 磁 辐
中 图分 类 号 ： ４ ． Ｐ１５ ６
文 献标 志 码 ： Ａ
脉 冲星 的辐射 起 源 于磁 层 中大 量 的相 对 论 性 等离 子体 ．关于 现有 的脉 冲 星磁层 加 速 区模 型 ， 如 外 间隙加 速 区模 型 ¨ Ｊ 内 间隙 加 速 区模 型 、 、 狭 长 间隙加 速 区模 型 ＿ 和 环 加 速 区模 型 ＿ ， 遍 ６ ８ 普 Ｊ 认 为 加速 区 能 产 生 稠 密 的非 中性 等 离 子 体 ， 常 通 假 设在 间隙加 速 区外 等离 子 电荷 密度 能满 足 本 地 Ｇ Ｊ电荷 密 度 （ Ｃ） Ｊ电荷 密 度 是 Ｇ Ｌ Ｒ Ｉ Ｈ Ｐ Ｊ ．Ｇ ＇ Ｏ Ｄ ＥＣ
文章 编 号 ：６ １４ ２ （０ ０ ０ － ６ －４ １７ —２９ ２ １ ） ６０ ５０ ０
非 中 性 相对 论 等 离 子 体 在 脉 冲 星 磁 层 中 的 运 动
王 洪 光 ，刘 怡 ，吕 铭
（ 州 大学 物 理 与 电子 工 程 学 院 ， 东 广 州 广 广 摘 ５０ ０ ） １０ ６ 要 ： 讨 了脉 冲 星磁 层 加 速 区外 磁 流 管 中 非 中 性 相 对 论 等 离Hale Waihona Puke Baidu 体 的 运 动 学 特 征 ．在 满 足 净 电荷 密 度 处 处 探
因子 从 １ 到 １ 。 些 初 级 粒 子 通 过 曲率 辐 ０ ０ ．这
射， 同步 辐射 或逆 康普 顿 散 射 产 生 光 子 ， 光 子 与磁 场或低 能 光 子 （ Ｘ射 线 或 光 学 ）作 用 转 化 为
次 级 电子对 ， 数 密 度 远 大 于 Ｇ『 其 －电荷 数 密 度 ， 并 继 承 了 光 子 的 向外 的 动量 ．由于 加 速 区外 没 有
法 简单 ， 忽略 了不 同磁 力线 的差 别 ．本 文 给 出更 且
这 些次 级等 离子 体沿 磁 流 管 流动 所 引 起 的平 行 电 场 ．这 里从 运 动学 的角 度进 行分 析 ， 然 可 以得到 仍 对 平行 电场 数量 级 的估计 ．所用 的基 本假 设包 括 ： ① 次级非 中性 等 离 子 形 成 以 后 ， 子 辐 射 能 损 失 粒
第 ９卷
２１ ０ ０年
第 ６期
１ ２月
广州 大学 学 报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｕｎ ｚｏ ｎｖｒｔ（ ａ ｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ｏ Ｇ ａｇｈ ｕＵ ｉｅｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｉ ｕ ｅ ｉ
Ｖｏ． Ｎｏ ６ １９ ．
Ｄ ｃ ２ １ ｅ． ００
等 于 Ｇ ｌｒｉ ～ｕｉ ｏ ｅｃ Ｊｌ ｎ电荷 密度 的 条件 下 ， 算 了不 同磁 倾 角和 不 同磁 力 线上 的 次 级 正 负 电子 速 度 分 布 ．结 果 表 ｄ ｈ ａ 计 明 ， 子 速 度 经 历 显 著 的加 速 或 减 速 ．在 靠 近 自转 轴 一 侧 的上 半磁 层 和 靠近 赤 道 一 侧 的 下 半 磁 层 ， 级 电子 加 电 次 速 或 减 速 的 图像 有 显 著 不 同．沿磁 力 线 平 行 电 场 的 总 电压 差 所 引起 的 电 子 动 能 改 变 与 电子 初 始 动 能 相 当 ， 但
磁 力线 是 弯 曲的 ， 子 速率不 变 （ Ｅ 粒 即 严格 为零 ） 情 况下 ， 离 子 体 电荷 密 度 将 偏 离 Ｐ 所 以 间 隙 等 …
等 离子 体 和初 级等 离子 混 合 构成 了非 中性 等 离子 体 ， 流 出加 速 区初 始 时刻 整 体 上 满 足 本 地 净 电 在