[论文解读] Radio spectrum of the Crab nebula as an evidence for fast initial spin of its pulsar

A. M. Atoyan|arXiv (Cornell University)|May 17, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本文提出，蟹状星云的平坦射电谱源于最初由脉冲星喷射出的相对论性电子残余种群，这些电子随时间因绝热和辐射损失而冷却。观测到的谱表明，脉冲星初始自转周期为3–5毫秒，表明其初始自转速度远快于以往认为的速度，与历史记录和当前数据一致。

ABSTRACT

The origin of relativistic electrons in the Crab nebula which are producing the broad-band flat radio spectrum of this prototype plerion has proved difficult to understand. Here I show that these electrons can be naturally explained as a relic population of the pulsar wind electrons that have lost most of their energy in the expanding nebula because of intensive radiative and adiabatic cooling in the past. The observed radio spectrum suggests that the initial slowing-down time of the pulsar was about 30 yrs (or less), which implies that it has been born with a spin period P_0 ~ 3-5 ms, several times shorter than presently believed. Consistency of these results with the current data and the historical records is discussed.

研究动机与目标

• 解释导致蟹状星云宽频平坦射电谱的相对论性电子的起源。
• 解决长期以来关于此类电子如何在星云中持续存在的难题。
• 从观测到的射电谱和电子冷却动力学推断蟹状脉冲星的初始自转周期。
• 检验快速初始自转是否与历史超新星记录和当前天体物理数据一致。

提出的方法

• 在膨胀星云中建模脉冲星风产生的相对论性电子演化，考虑绝热和辐射能量损失。
• 利用观测到的射电谱约束电子种群的能量分布和冷却历史。
• 应用由同步辐射和逆康普顿损失推导出的冷却 timescales，估算脉冲星的初始自转降速 timescale。
• 反演冷却模型，推断与观测到的电子能量分布一致的脉冲星初始自转周期。
• 将推断的初始自转周期与历史超新星观测和当前脉冲星种群统计进行比较。
• 利用推导出的脉冲星自转降速 timescale，假设磁制动指数约为~3，估算初始自转周期。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种机制能自然解释产生蟹状星云平坦射电谱的相对论性电子种群？
• RQ2 星云中电子的冷却历史如何约束蟹状脉冲星的初始自转周期？
• RQ3 基于观测到的射电谱，脉冲星的隐含初始自转降速 timescale 是多少？
• RQ4 3–5毫秒的快速初始自转周期是否与1054年超新星的历史记录一致？
• RQ5 推断出的冷却和自转降速 timescales 与标准脉冲星风和星云演化模型是否一致？

主要发现

• 蟹状星云观测到的射电谱最合理的解释是，其源于起源于脉冲星风的相对论性电子残余种群，这些电子随时间逐渐冷却。
• 电子冷却 timescale 暗示脉冲星初始自转降速 timescale 约为30年或更短。
• 该冷却 timescale 对应于3–5毫秒的初始自转周期，显著短于以往假设的值。
• 推断出的初始自转周期与1054年超新星爆发的历史记录一致。
• 该模型在不需额外电子注入机制的前提下，调和了观测到的星云谱与脉冲星风能量学及冷却物理。
• 结果支持蟹状脉冲星初始快速自转，挑战了基于较慢自转降速模型的早期估计。