Crab脉冲星

Report
高能脉冲星的发现
和搜寻
王 伟
国家天文台
2013年脉冲星暑期讲习班 8月13日- 8月23日 北京
主要内容
• 高能脉冲星: 如何定义?
• 高能脉冲星的发现
• 高能脉冲星的搜寻和研究
1、X射线脉冲星
2、伽玛射线脉冲星
• 高能脉冲星搜寻的最新突破也是重大突破
– Fermi卫星发现大量伽玛射线脉冲星
• 总结与展望
如何定义高能脉冲星
• 天文学的电磁波观测窗口
观
测
海
平
面
高
度
伽玛射线
X射线
紫外 可见光 红外
高能天体物理观测窗口
射电
• 脉冲星多波段辐射能谱特征(总体):
辐
射
流
量
伽玛射线
射电
X射线
光学
光子能量
辐射最强的2个波段:射电
- 我们熟知的射电脉冲星
高能,主
要是伽玛射线波段 ,峰
值能量在
GeV
因此高能波段也可以发现许多新脉冲星,研究脉冲星物
理,开展脉冲星应用研究(导航)。
高能脉冲星的发现
• 第一颗高能脉冲星:Crab脉冲星
1964年通过气球试验,发现了Crab脉冲
星和其星风云的X射线辐射(10-60 keV)。
后续气球/火箭观测(1970)探测到X射
线脉冲(1968年Arecibo发现射电脉冲) 。
Crab脉冲星和其星风云是全天最亮的稳
定X射线源,并作为X射线天文的标准烛光。
1970s, SAS-2高能卫星发现其伽玛射线
脉冲辐射(>10MeV)!
两颗高能脉冲星的时代
• 1970s : SAS-2卫星(美国)
发现了Crab和Vela 脉冲星的伽玛射线脉冲
辐射
Vela脉冲星是全天最亮的稳定伽玛射线源!
• 1970s – 1982 : COS-B卫星(欧洲)
探测到Crab和Vela 的脉冲辐射
(>50MeV)
探测到二十颗新的伽玛射线点源 –
一些源后来被证认是脉冲星。
高能脉冲星的搜寻和研究
• 如何搜寻高能脉冲星:
1、已知射电脉冲星(周期、位置),高能卫星
跟踪观测,发现X射线或伽玛射线脉冲;
2、高能探测器通过盲扫(blind-search)观测,
独立发现新的脉冲星(新的位置、新的周期)它
们甚至没有射电辐射。
• 我们这里只讨论快速自转的中子星通过转动能
损产生的高能脉冲星。中子星在双星系统可以
通过吸积物质到表面产生吸积X射线脉冲星,
这类天体其他老师将会讨论(17号李向东老师
和下午其他老师的报告)。
X射线脉冲星搜寻
• ROSAT卫星X射线全天巡天观测(德国)
波段:0.1-2.4 keV
历时10年 1990-1999
• ROSAT巡天:
发现了超过10万个X射线源。
天文学家可以利用ROSAT数据第一次开展系
统的X射线脉冲星搜寻。
发现了27颗X射线脉冲星(Becker & Truemper
1997)!
脉冲星研究主要发现 :
1、第一次发现毫秒脉冲星的X射线脉冲
(Becker & Truemper 1993);
2、探测到射电宁静伽玛射线脉冲星Geminga
的X射线脉冲( Halpern & Holt 1992 );
3、年老脉冲星(Myr)表面热辐射的脉冲信
号,测量中子星表面温度( Ogelman 1995 )。
第一颗X射线毫秒脉冲星 PSR J0437-4715
• PSR J0437-4715
双星系统,伴星0.2M⊙
• P=5.75 ms
• Porb=5.74 day
• 1993年被Parkes发现
(Johnston et al. 1993 Nature 361 613 )
• X射线单脉冲辐射
• 热辐射,温度1.7x106K
(Becker & Truemper 1993 Nature 365 528)
X射线脉冲星的性质
年轻脉冲星
年老脉冲星
毫秒脉冲星
X 射线光度与脉冲星自转能损率的关系
Lx ≈ 0.001 dE/dt
Becker & Truemper 1997
中子星冷却曲线
• 中子星诞生于超新
星爆发,诞生时温
度很高(>108 K),
然后慢慢冷却至
(106 K)。
• 这个冷却过程细节
直接反映中子星内
部结构(超流)。
• X射线脉冲星热辐射
的研究可以让我们
了解中子星内部的
未知世界。
• ROSAT后,ASCA(日本),BeppoSAX(意大利),Chandra(美
国),XMM-Newton(欧洲)继续发现了许多X射线脉冲星。现
在大约超过80颗X射线脉冲星,其中有20多颗X射线毫秒脉
冲星。还包括近20颗磁星(2-12秒,磁场>1014G)的特殊脉冲
星(17号仝号老师将专门介绍)。
• Chandra具有高角分辨率 (0.5”),第一次把X射线脉冲星
和脉冲星星风云从图象上分辨出来:
Crab
Vela
伽玛射线脉冲星的搜寻
• 开始于Compton天文台时代 (1991 – 2000)
两个主要伽玛射线望远镜:
EGRET:>30 MeV
探测到6颗伽玛射线脉冲星(Crab,
Vela, PSR B1706-44, PSR B1951+32,
PSR B1055-52, Geminga ),其中发现
了没有射电辐射新的一类脉冲星 –
射电宁静伽玛射线脉冲星Geminga。
COMPTEL: 0.5 -20 MeV
探测到PSR B1509-58的伽玛射线脉冲。
COMPTON时代的伽玛射线脉冲星
射电、光学、X射线、伽玛射线脉冲轮廓
高能/伽玛射线脉冲星搜寻的高
潮
FERMI卫星时代的来临
• 发射时间:2008年6月
• 两个主要望远镜:
• GBM: 8 keV – 40 MeV
GRBs和爆发源
• LAT:20 MeV to > 300 GeV
伽玛射线源 (PSRs)
面积:8000 cm2 at 1 GeV
角分辨率:0.8o at 1 GeV
大视场 - cover all sky in two orbits 3 hr
FERMI/LAT
- 最强大的伽玛射线望远镜
1st generation:
SAS, COS-B
2nd generation:
EGRET
3rd generation:
LAT
9年
1年
• 2年的伽玛射线观测:
100 MeV - 10 GeV
发现了1873个伽玛射线源
(EGRET 9年 才探测到270个)
FERMI/LAT伽玛射线脉冲星的搜寻
(三个途径)
• 已知的射电脉冲星的伽玛射线脉冲搜寻
2200多个脉冲星(来自澳大利亚 ATNF Pulsar
Catalog)都是伽玛射线脉冲星候选体。
射电脉冲星的位置
脉冲星时间观测的数据(周期及变化)
利用LAT的数据寻找伽玛射线脉冲信号
此方法发现了42颗年轻的伽玛
射线脉冲星。同时第一次探测
到毫秒脉冲星的伽玛射线脉冲。
• LAT搜寻射电毫秒脉冲星的伽玛射线脉冲发
现了13颗伽玛射线毫秒脉冲星。之前却认
为毫秒脉冲星可能不能辐射伽玛射线。
• 直接利用LAT数据搜寻未知的脉冲星(blind
periodicity search)
FERMI时代之前,Geminga是唯一通过伽玛射线
发现(EGRET)的射电宁静脉冲星。
LAT具有强大的收集伽玛光子的能力,具有直接
搜寻脉冲星的潜力。主要集中超新星遗迹、脉冲
星星风云、未知的高能辐射源。
已经发现36颗射电宁静伽玛射线脉冲星(35新脉
冲星)。 Geminga再也不孤独了,已知的伽玛射线
脉冲星,1/4是Geminga 类型的。
周期0.05 – 0.4 s, 年龄104-106 yr
直接利用LAT伽玛射线光子到达时间寻找脉冲周期
新脉冲星 :
PSR J1957+5033
P=0.375 s
FERMI/LAT通过伽玛射线发现的第一颗射电宁静脉冲星
脉冲星位于超新星遗迹CTA 1中
P = 0.316 s
年龄 = 1.1 x104 yr
自转能损率 = 4.5x1035 erg/s
没有射电对应体,也没有X射线脉冲辐射!
伽玛射线直接发现毫秒脉冲星?
• 非常困难: (1)信号可能很弱;(2)毫秒脉冲星大
部分在双星系统里,双星轨道运动导致的多普勒
效应会让脉冲信号消失。如果要搜寻毫秒脉冲星
脉冲信号,必须先知道双星轨道参数。
• 借助其他波段的观测手段是必要的。
• 第一颗通过伽玛射线发现的新毫秒脉冲星 PSR
J1311-3430 (Pletsch et al. 2012 Science):首先利用
光学观测确定轨道参数(轨道周期90分钟),得到
P=2.56ms。
• 很快,其射电脉冲也被探测到(Ray et al. 2013)。
• 射电搜寻未知的伽玛射线源
FERMI/LAT探测到超过1800个伽玛射线源,其中
700个是未知的。它们很可能是脉冲星。
全世界所有大型射电望远镜对准这几百个未知
的伽玛射线源(特别是高银纬),在0.3, 0.8 和 1.4
GHz三个波段搜寻,开创一个新的伽玛射线脉冲星
发现窗口。
通过射电搜寻,发现了49颗新脉冲星,其中46
颗毫秒脉冲星,3颗年轻脉冲星。
已知射电脉冲周期后,大部分脉冲星可以得到
伽玛射线脉冲轮廓。
射电跟踪观测发现大量的伽玛射线毫秒脉冲星,现在伽玛射
线毫秒脉冲星超过60颗,还在不断增加中。
伽玛射线毫秒脉冲星已经是伽玛射线源重要组成部分。
LAT改变对毫秒脉冲星的认识!
FERMI/LAT发现的伽玛射线脉冲星
• 空间分布
• 银道面的分布 (距离信息)
伽玛射线脉冲星观测特征
• FERMI/LAT的强大观测能力大大推动了我们
对伽玛射线脉冲星的认识,特别是脉冲星
辐射物理。
• 100多颗伽玛射线脉冲星,它们的统计性质
将帮助我们认识伽玛射线脉冲星的共性和
特性,可能帮助揭示伽玛射线辐射的物理
起源。
伽玛射线脉冲星在Pdot – P 图上的分布
伽玛射线脉冲星的射电强度
射电脉冲轮廓与伽玛射线脉冲轮廓
双峰
单峰
相位差
Crab脉冲星:
以前认为射电脉冲和伽玛射线脉冲是完全重合的(相位差为零)
LAT发现:射电峰比伽玛射线峰 落后 281±33 μs
射电峰与伽玛射线峰之间相位差
射电宁静伽玛射线脉冲
星,假设相位差为零
伽
玛
射
线
双
峰
之
间
的
相
位
间
隔
伽玛射线光度与自转能损率的关系
它们可能满足关系: L∝ Edot ½
弥散较大,可能存在更复杂的关系。
前面说到的X射线脉冲星: L x= 0.001Edot
脉冲星辐射伽玛射线脉冲的辐射效率非常高:
10% 左右!
辐射X 射线脉冲的辐射效率:0.1%。
辐射效率
L/Edot
伽玛射线脉冲星的能谱特征(30MeV – 30 GeV)
脉冲星能谱一般都用一个幂率谱加上一个高能截断形式拟合:
幂率
高能截断
幂率谱指数: 1.6附近
自转能损率越大,谱指
数越大,谱形越平。
高能截断:1 – 6 GeV
大部分 2 – 3 GeV
高能截断能量和光速园
柱半径处的磁场强度存
在弱的相关性。
伽玛射线脉冲星的星风云
• 两个最强的伽玛射线脉冲星:Vela和Crab
Vela pulsar
单一幂律谱
Г~2.4±0.2
Puppis A?
LAT图像:Crab脉冲星和Crab星风云
0.1 – 0.3 GeV
Pulsed
Off-pulsed
(0.52 – 0.87)
0.3 – 1 GeV
> 1 GeV
Crab脉冲星
Г~ 1.97±0.02
Ecut ~ 5.8 ±0.5 GeV
(高于其他脉冲星)
Crab星风云
2个辐射成分:
< 1 GeV Г~ 3.99±0.12
> 1 GeV Г ~ 1.64±0.05
总结与展望
•
•
•
•
•
•
第一颗高能脉冲星: Crab脉冲星
全天最亮的稳定X射线源:Crab
全天最亮的稳定伽玛射线源:Vela
现在已知X射线脉冲星约70颗
已知的伽玛射线脉冲星约150颗
记住2个对高能脉冲星发现和搜寻做出巨大
贡献的天文卫星:
ROSAT(X射线),FERMI(伽玛射线)
未来高能脉冲星的搜寻
• 伽玛射线脉冲星的搜寻依然是热点
• FERMI/LAT依然在继续工作
(1)数据的增加可以发现更多的射电宁静的新脉冲星
(2)会有更多的未知伽玛射线源,地面的射电望远镜
跟踪观测,会发现更多的新脉冲星( 主要是毫秒
脉冲星)
(3)搜寻已知射电脉冲星的伽玛射线脉冲
前面观测发现 Lγ ∝
1/2
Edot
我们定义一个参数:伽玛射线脉冲星探测率
Edot1/2/d2
Edot1/2/d2 越大,越容易被探测到伽玛脉冲
X射线脉冲星搜寻与研究
• 现在不是热点,进展较慢
• NuStar(美国,2012年底开始):3-79 keV
小镜子,不开展巡天研究
• 2014年后,有2颗新X射线望远镜开展全天巡天
观测,希望推动X射线脉冲星搜寻
eROSAT(德国,ROSAT接班人):
1 – 20 keV
HXMT(中国): 2 – 200 keV
• 科学期望:发现更多年轻X射线脉冲星(银道
面);研究脉冲星的演化,探索毫秒脉冲星物
理起源的问题。
一个最新的例子
科学目标
毫秒脉冲星的起源问题:
理论家认为年轻脉冲星会死亡,
低质量X射线双星系统中脉冲星
会通过吸积加速,重生变成毫
秒脉冲星。
但观测上没有直接证据!
我们只观测到射电毫秒脉冲星;
或者只在低质量X射线双星中探
测到X射线毫秒脉冲星,无射电
脉冲。
两者之间是否有联系?
年轻脉冲星
毫秒脉冲星
2013年3月,欧洲硬X射线望远镜INTEGRAL发现一个爆发源
IGR J18245-2452,后来被证认是球状星团M28中低质量X射
线双星,存在一颗X射线毫秒脉冲星。
有趣的是发现它与2006年被美国Green Bank radio telescope
(GBT)望远镜发现的一颗射电脉冲星PSR J1824–2452I应该是
同一颗脉冲星。
IGR J18245–2452
PSR J1824–2452I
Spin period (ms)
3.931852641(2)
3.93185(1)
Spin period derivative
< 2 x 10-17
Orbital period (hr)
11.025781(2)
11.0258(2)
Projected semi-major axis
(lt-s)
0.76591(1)
0.7658(1)
Pulsar mass function
(Msun)
2.2831(1) x10-3
2.282(1) x10-3
2013年
2006年
X射线图像
Chandra
• 2013年4月,它处在X射线爆发期,显示为LMXB中的吸积X射线毫秒脉冲
星,无射电脉冲辐射;
2006年,它显示为射电毫秒脉冲星,应处在X射线宁静态。
• 2013年5月,在X射线爆发峰值后5周, IGR J18245-2452再次变成一颗
射电脉冲星!(Parkes, GBT观测)
• IGR J18245–2452/PSR J1824–2452I让我们第一次看到射电(自转)和
X射线(吸积)毫秒脉冲星之间的快速转换;直接证据支持射电毫秒脉冲
星通过LMXB重生过程起源的物理图像。
谢谢大家!
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