[论文解读] High Energy Emission from Rotation-Powered Pulsars: Outer-gap vs. Slot-gap Models

Kouichi Hirotani|ArXiv.org|Sep 8, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 63被引用 17

一句话总结

本文提出了一种自洽的多物理场模型，用于描述旋转脉冲星中的高能辐射发射，同时求解电场结构、成对产生、粒子输运和辐射转移问题。结果表明，外间隙模型能够重现蟹状脉冲星的观测脉冲轮廓和能谱，而槽隙模型由于成对自由间隙厚度不足，导致光子通量过低而失败。

ABSTRACT

We explore particle accelerator electrodynamics in the magnetosphere of a rapidly rotating neutron star (NS). We address the importance of a self-consistent treatment of pair production, solving the Poisson equation describing the acceleration electric field, the Boltzmann equations for produced electrons and positrons, and the radiative transfer equation simultaneously. It is demonstrated that the accelerator solution is obtained if we only specify the NS spin period, magnetic dipole moment, magnetic inclination angle with respect to the rotation axis, and the NS surface temperature, and that the solution corresponds to a quantitative extension of previous outer-gap models. We apply the scheme to the Crab pulsar and show that the predicted pulse profiles and phase-resolved spectrum are roughly consistent with observations. Applying the same scheme to the slot-gap model, we show that this alternative model predicts too small photon flux to reproduce observations, because the gap trans-field thickness is significantly restricted by its pair-free condition.

研究动机与目标

• 开发一种自洽的框架，用于建模旋转脉冲星的高能辐射发射。
• 比较外间隙模型与槽隙模型在重现脉冲星观测辐射方面的可行性。
• 确定槽隙模型是否能产生足够高的光子通量以匹配观测结果。
• 研究成对产生和电场结构在塑造辐射轮廓中的作用。

提出的方法

• 同时求解电场加速度的泊松方程、电子和正电子输运的玻尔兹曼方程以及辐射转移方程。
• 采用自洽的成对产生处理方法，以确定加速间隙的结构。
• 指定模型输入参数：中子星自转周期、磁偶极矩、磁倾角和表面温度。
• 将模型应用于蟹状脉冲星，以预测脉冲轮廓和相位分辨能谱。
• 将外间隙和槽隙构型的预测辐射与观测数据进行比较。
• 在外间隙模型中强制实施无成对条件，以评估其物理可行性与通量输出。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过包含成对产生、电场结构和辐射转移的自洽模型，重现旋转脉冲星的观测高能辐射？
• RQ2 外间隙模型是否能产生与蟹状脉冲星观测一致的脉冲轮廓和能谱？
• RQ3 为何尽管槽隙模型具有理论吸引力，却仍无法重现观测到的光子通量？
• RQ4 加速间隙的厚度如何限制槽隙模型中的辐射发射？
• RQ5 中子星表面温度在决定间隙结构和辐射输出方面起什么作用？

主要发现

• 在外间隙模型中，通过自洽处理电场、成对产生和辐射转移，成功重现了蟹状脉冲星的观测脉冲轮廓和相位分辨能谱。
• 槽隙模型预测的光子通量过低，无法与观测匹配，原因是无成对条件对横向间隙厚度施加了严重限制。
• 自洽解仅依赖于四个输入参数：自转周期、磁偶极矩、磁倾角和表面温度。
• 该模型通过引入完整的电磁动力学和辐射转移，对先前的外间隙模型进行了定量扩展。
• 成对产生在两种模型中均对加速间隙的结构和效率起着关键作用。
• 在外间隙模型中，解在给定物理条件下稳定且自洽；而槽隙模型的解无法产生足够辐射以匹配观测结果。