高能脈沖星的發(fā)現(xiàn)和搜尋 - 致密天體與彌漫介質(zhì)研究

1、高能脈沖星的發(fā)現(xiàn)和搜尋,王 偉國家天文臺,2013年脈沖星暑期講習班 8月13日- 8月23日 北京,主要內(nèi)容,高能脈沖星: 如何定義?高能脈沖星的發(fā)現(xiàn)高能脈沖星的搜尋和研究 1、X射線脈沖星 2、伽瑪射線脈沖星高能脈沖星搜尋的最新突破也是重大突破 – Fermi衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)大量伽瑪射線脈沖星總結(jié)與展望,如何定義高能脈沖星,天文學的電磁波觀測窗口,伽瑪射線 X射線 紫外 可見光 紅外

2、 射電,,高能天體物理觀測窗口,觀測海平面高度,脈沖星多波段輻射能譜特征（總體）：,,,,輻射流量,射電,X射線,伽瑪射線,光學,輻射最強的2個波段：射電 - 我們熟知的射電脈沖星 高能，主要是伽瑪射線波段 ，峰 值能量在GeV因此高能波段也可以發(fā)現(xiàn)許多新脈沖星，

3、研究脈沖星物理，開展脈沖星應用研究（導航）。高能脈沖星是脈沖星家族很重要的組成部分！,光子能量,高能脈沖星的發(fā)現(xiàn),第一顆高能脈沖星：Crab脈沖星 1964年通過氣球試驗，發(fā)現(xiàn)了Crab脈沖星和其星風云的X射線輻射（10-60 keV）。 后續(xù)氣球/火箭觀測（1970）探測到X射線脈沖（1968年Arecibo發(fā)現(xiàn)射電脈沖） 。 Crab脈沖星和其星風云是全天最亮的穩(wěn)定X射線源，并作為X射線天文的標準燭光。

4、 1970s, SAS-2高能衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)其伽瑪射線脈沖輻射(>10MeV)！,1970s : SAS-2衛(wèi)星（美國） 發(fā)現(xiàn)了Crab和Vela 脈沖星的伽瑪射線脈沖輻射 Vela脈沖星是全天最亮的穩(wěn)定伽瑪射線源！1970s – 1982 : COS-B衛(wèi)星（歐洲） 探測到Crab和Vela 的脈沖輻射（>50MeV） 探測到二十顆新的伽瑪射線點源 – 一些源后來被證認是脈沖星。

5、,兩顆高能脈沖星的時代,高能脈沖星的搜尋和研究,如何搜尋高能脈沖星： 1、已知射電脈沖星(周期、位置)，高能衛(wèi)星跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)X射線或伽瑪射線脈沖； 2、高能探測器通過盲掃(blind-search)觀測，獨立發(fā)現(xiàn)新的脈沖星(新的位置、新的周期)它們甚至沒有射電輻射。我們這里只討論快速自轉(zhuǎn)的中子星通過轉(zhuǎn)動能損產(chǎn)生的高能脈沖星。中子星在雙星系統(tǒng)可以通過吸積物質(zhì)到表面產(chǎn)生吸積X射線脈沖星，這類天體其他老師將會討論(17號李向

6、東老師和下午其他老師的報告)。,X射線脈沖星搜尋,ROSAT衛(wèi)星X射線全天巡天觀測（德國） 波段：0.1-2.4 keV 歷時10年 1990-1999,ROSAT巡天： 發(fā)現(xiàn)了超過10萬個X射線源。 天文學家可以利用ROSAT數(shù)據(jù)第一次開展系統(tǒng)的X射線脈沖星搜尋。 發(fā)現(xiàn)了27顆X射線脈沖星（Becker & Truemper 1997）！脈沖星研究主要發(fā)現(xiàn) ： 1、第一次發(fā)

7、現(xiàn)毫秒脈沖星的X射線脈沖(Becker & Truemper 1993)； 2、探測到射電寧靜伽瑪射線脈沖星Geminga的X射線脈沖（ Halpern & Holt 1992 ）； 3、年老脈沖星（Myr）表面熱輻射的脈沖信號，測量中子星表面溫度（ Ogelman 1995 ）。,第一顆X射線毫秒脈沖星 PSR J0437-4715,PSR J0437-4715 雙星系統(tǒng)，伴星0.2M⊙P=5.

8、75 msPorb=5.74 day1993年被Parkes發(fā)現(xiàn) (Johnston et al. 1993 Nature 361 613 )X射線單脈沖輻射熱輻射，溫度1.7x106K,(Becker & Truemper 1993 Nature 365 528),X射線脈沖星的性質(zhì),年輕脈沖星,年老脈沖星,毫秒脈沖星,,Becker & Truemper 1997,X 射線光度與脈沖星自轉(zhuǎn)能損率的關(guān)

9、系,Lx ≈ 0.001 dE/dt,中子星冷卻曲線,中子星誕生于超新星爆發(fā)，誕生時溫度很高（>108 K），然后慢慢冷卻至（106 K）。這個冷卻過程細節(jié)直接反映中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)(超流)。X射線脈沖星熱輻射的研究可以讓我們了解中子星內(nèi)部的未知世界。,ROSAT后，ASCA(日本)，BeppoSAX(意大利)，Chandra(美國)，XMM-Newton(歐洲)繼續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多X射線脈沖星?，F(xiàn)在大約超過80顆X射線脈沖星，其中有2

10、0多顆X射線毫秒脈沖星。還包括近20顆磁星(2-12秒,磁場>1014G)的特殊脈沖星(17號仝號老師將專門介紹)。Chandra具有高角分辨率 (0.5”)，第一次把X射線脈沖星和脈沖星星風云從圖象上分辨出來：,Crab,Vela,伽瑪射線脈沖星的搜尋,開始于Compton天文臺時代 (1991 – 2000),兩個主要伽瑪射線望遠鏡：EGRET：>30 MeV探測到6顆伽瑪射線脈沖星(Crab, Vela, PSR

11、 B1706-44, PSR B1951+32, PSR B1055-52, Geminga )，其中發(fā)現(xiàn)了沒有射電輻射新的一類脈沖星 – 射電寧靜伽瑪射線脈沖星Geminga。COMPTEL: 0.5 -20 MeV探測到PSR B1509-58的伽瑪射線脈沖。,COMPTON時代的伽瑪射線脈沖星,,射電、光學、X射線、伽瑪射線脈沖輪廓,高能/伽瑪射線脈沖星搜尋的高潮FERMI衛(wèi)星時代的來臨,發(fā)射時間：2008年6月兩個主要望

12、遠鏡：GBM: 8 keV – 40 MeV GRBs和爆發(fā)源LAT：20 MeV to > 300 GeV 伽瑪射線源 (PSRs) 面積：8000 cm2 at 1 GeV 角分辨率：0.8o at 1 GeV 大視場 - cover all sky in two orbits 3 hr,FERMI/LAT - 最強大的伽瑪射線望遠鏡,1st generation:SAS

13、, COS-B2nd generation:EGRET3rd generation:LAT,9年 1年,2年的伽瑪射線觀測：,100 MeV - 10 GeV,發(fā)現(xiàn)了1873個伽瑪射線源 (EGRET 9年 才探測到270個),,FERMI/LAT伽瑪射線脈沖星的搜尋(三個途徑),已知的射電脈沖星的伽瑪射線脈沖搜尋 2200多個脈沖星(來自澳大利亞 ATNF Pulsar Catalog)都是

14、伽瑪射線脈沖星候選體。 射電脈沖星的位置 脈沖星時間觀測的數(shù)據(jù)(周期及變化),,利用LAT的數(shù)據(jù)尋找伽瑪射線脈沖信號此方法發(fā)現(xiàn)了42顆年輕的伽瑪射線脈沖星。同時第一次探測到毫秒脈沖星的伽瑪射線脈沖。,LAT搜尋射電毫秒脈沖星的伽瑪射線脈沖發(fā)現(xiàn)了13顆伽瑪射線毫秒脈沖星。之前卻認為毫秒脈沖星可能不能輻射伽瑪射線。,直接利用LAT數(shù)據(jù)搜尋未知的脈沖星(blind periodicity search) FER

15、MI時代之前，Geminga是唯一通過伽瑪射線發(fā)現(xiàn)(EGRET)的射電寧靜脈沖星。 LAT具有強大的收集伽瑪光子的能力，具有直接搜尋脈沖星的潛力。主要集中超新星遺跡、脈沖星星風云、未知的高能輻射源。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)36顆射電寧靜伽瑪射線脈沖星(35新脈沖星)。 Geminga再也不孤獨了，已知的伽瑪射線脈沖星，1/4是Geminga 類型的。 周期0.05 – 0.4 s, 年齡104-106 yr,,直接利用LA

16、T伽瑪射線光子到達時間尋找脈沖周期,新脈沖星 :PSR J1957+5033P=0.375 s,,FERMI/LAT通過伽瑪射線發(fā)現(xiàn)的第一顆射電寧靜脈沖星,脈沖星位于超新星遺跡CTA 1中 P = 0.316 s 年齡 = 1.1 x104 yr

17、 自轉(zhuǎn)能損率 = 4.5x1035 erg/s 沒有射電對應體，也沒有X射線脈沖輻射!,伽瑪射線直接發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星？,非常困難: (1)信號可能很弱；(2)毫秒脈沖星大部分在雙星系統(tǒng)里，雙星軌道運動導致的多普勒效應會讓脈沖信號消失。如果要搜尋毫秒脈沖星脈沖信號，必須先知道雙星軌道參數(shù)。 借助其他波段的觀測手段是必要的。第一顆通過伽瑪射線發(fā)現(xiàn)的新毫秒脈沖星

18、 PSR J1311-3430 (Pletsch et al. 2012 Science)：首先利用光學觀測確定軌道參數(shù)(軌道周期90分鐘)，得到P=2.56ms。很快，其射電脈沖也被探測到(Ray et al. 2013)。,射電搜尋未知的伽瑪射線源 FERMI/LAT探測到超過1800個伽瑪射線源，其中700個是未知的。它們很可能是脈沖星。 全世界所有大型射電望遠鏡對準這幾百個未知的伽瑪射線源(特別是高銀緯)，在

19、0.3, 0.8 和 1.4 GHz三個波段搜尋，開創(chuàng)一個新的伽瑪射線脈沖星發(fā)現(xiàn)窗口。 通過射電搜尋，發(fā)現(xiàn)了49顆新脈沖星，其中46顆毫秒脈沖星，3顆年輕脈沖星。 已知射電脈沖周期后，大部分脈沖星可以得到伽瑪射線脈沖輪廓。,射電跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)大量的伽瑪射線毫秒脈沖星，現(xiàn)在伽瑪射線毫秒脈沖星超過60顆，還在不斷增加中。伽瑪射線毫秒脈沖星已經(jīng)是伽瑪射線源重要組成部分。LAT改變對毫秒脈沖星的認識！,FERMI/LAT發(fā)現(xiàn)

20、的伽瑪射線脈沖星,空間分布,銀道面的分布 (距離信息),伽瑪射線脈沖星觀測特征,FERMI/LAT的強大觀測能力大大推動了我們對伽瑪射線脈沖星的認識，特別是脈沖星輻射物理。100多顆伽瑪射線脈沖星，它們的統(tǒng)計性質(zhì)將幫助我們認識伽瑪射線脈沖星的共性和特性，可能幫助揭示伽瑪射線輻射的物理起源。,,伽瑪射線脈沖星在Pdot – P 圖上的分布,伽瑪射線脈沖星的射電強度,,射電脈沖輪廓與伽瑪射線脈沖輪廓,相位差,雙峰,單峰,Crab脈沖星：

21、以前認為射電脈沖和伽瑪射線脈沖是完全重合的（相位差為零）LAT發(fā)現(xiàn)：射電峰比伽瑪射線峰 落后 281±33 μs,,射電峰與伽瑪射線峰之間相位差,伽瑪射線雙峰之間的相位間隔,射電寧靜伽瑪射線脈沖星，假設相位差為零,伽瑪射線光度與自轉(zhuǎn)能損率的關(guān)系,它們可能滿足關(guān)系： L∝ Edot ½ 彌散較大，可能存在更復雜的關(guān)系。前面說到的X射線脈沖星： L x= 0.001Edot,輻射效率L/Edot,脈沖星輻射伽

22、瑪射線脈沖的輻射效率非常高：10% 左右！輻射X 射線脈沖的輻射效率：0.1%。,伽瑪射線脈沖星的能譜特征(30MeV – 30 GeV),脈沖星能譜一般都用一個冪率譜加上一個高能截斷形式擬合：,冪率,高能截斷,冪率譜指數(shù)： 1.6附近自轉(zhuǎn)能損率越大，譜指數(shù)越大，譜形越平。,高能截斷：1 – 6 GeV大部分 2 – 3 GeV 高能截斷能量和光速園柱半徑處的磁場強度存在弱的相關(guān)性。,伽瑪射線脈沖星的星風云,兩個最強的伽瑪射

23、線脈沖星：Vela和Crab,Vela pulsar,Puppis A？,單一冪律譜Г～2.4±0.2,LAT圖像：Crab脈沖星和Crab星風云,Pulsed,Off-pulsed,0.1 – 0.3 GeV 0.3 – 1 GeV > 1 GeV,(0.52 – 0.87),,Crab脈沖星,Crab星風云,2個輻射成分: 1 GeV Г ～ 1

24、.64±0.05,Г～ 1.97±0.02Ecut ～ 5.8 ±0.5 GeV (高于其他脈沖星),總結(jié)與展望,第一顆高能脈沖星: Crab脈沖星全天最亮的穩(wěn)定X射線源：Crab全天最亮的穩(wěn)定伽瑪射線源：Vela現(xiàn)在已知X射線脈沖星約70顆已知的伽瑪射線脈沖星約150顆記住2個對高能脈沖星發(fā)現(xiàn)和搜尋做出巨大貢獻的天文衛(wèi)星： ROSAT(X射線)，F(xiàn)ERMI(伽瑪射線),未來高能脈沖

25、星的搜尋,伽瑪射線脈沖星的搜尋依然是熱點FERMI/LAT依然在繼續(xù)工作數(shù)據(jù)的增加可以發(fā)現(xiàn)更多的射電寧靜的新脈沖星會有更多的未知伽瑪射線源，地面的射電望遠鏡跟蹤觀測，會發(fā)現(xiàn)更多的新脈沖星（ 主要是毫秒脈沖星）搜尋已知射電脈沖星的伽瑪射線脈沖,前面觀測發(fā)現(xiàn) Lγ ∝ Edot1/2,我們定義一個參數(shù)：伽瑪射線脈沖星探測率 Edot1/2/d2,,Edot1/2/d2 越大，越容易被探測到伽瑪脈沖,X射線脈沖

26、星搜尋與研究,現(xiàn)在不是熱點，進展較慢NuStar(美國,2012年底開始):3-79 keV 小鏡子,不開展巡天研究2014年后，有2顆新X射線望遠鏡開展全天巡天觀測，希望推動X射線脈沖星搜尋 eROSAT(德國，ROSAT接班人): 1 – 20 keV HXMT(中國): 2 – 200 keV科學期望：發(fā)現(xiàn)更多年輕X射線脈沖星(銀道面)；研究脈沖星的演化，探索毫秒脈沖星物理起源的問題。,一個

27、最新的例子,,年輕脈沖星,毫秒脈沖星,科學目標毫秒脈沖星的起源問題：理論家認為年輕脈沖星會死亡，低質(zhì)量X射線雙星系統(tǒng)中脈沖星會通過吸積加速，重生變成毫秒脈沖星。但觀測上沒有直接證據(jù)！我們只觀測到射電毫秒脈沖星；或者只在低質(zhì)量X射線雙星中探測到X射線毫秒脈沖星，無射電脈沖。兩者之間是否有聯(lián)系？,2013年3月，歐洲硬X射線望遠鏡INTEGRAL發(fā)現(xiàn)一個爆發(fā)源IGR J18245-2452，后來被證認是球狀星團M28中低質(zhì)量X射

28、線雙星，存在一顆X射線毫秒脈沖星。有趣的是發(fā)現(xiàn)它與2006年被美國Green Bank radio telescope (GBT)望遠鏡發(fā)現(xiàn)的一顆射電脈沖星PSR J1824–2452I應該是同一顆脈沖星。,,2013年4月，它處在X射線爆發(fā)期，顯示為LMXB中的吸積X射線毫秒脈沖星，無射電脈沖輻射； 2006年，它顯示為射電毫秒脈沖星，應處在X射線寧靜態(tài)。2013年5月，在X射線爆發(fā)峰值后5周， IGR J18245-