[论文解读] Amazing properties of giant pulses and the nature of pulsar's radio emission

V. A. Soglasnov|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提供了观测证据，表明蟹状星 puls星和毫秒脉冲星B1937+21的巨脉冲可达到超过100万Jy的峰值流量密度，使其成为目前已知最强烈的射电辐射之一。作者提出，这些脉冲通过强磁场中的同步辐射，作为超高效的粒子加速器，触发相对论性正负电子对级联反应，并可能在脉冲星磁层中引发自持的辐射过程。

ABSTRACT

For comprehensive studying of giant pulses (GPs) from the Crab pulsar and the original millisecond pulsar (MSP) B1937+21 (J1939+2134), we conducted multifrequency observations over the last few years. They show that giant pulses may be improbably bright, 10^5, 10^6 Jy and more, they have extra ordinal spectra and polarization. EM energy concentrated in such strong pulse is high enough to accelerate particles up to Lorenz factor gamma ~ 10^4 - 10^6, since giant pulses may play an important role in physics of pulsar's magnetosphere.

研究动机与目标

• 通过多频段、高时间分辨率的观测，研究蟹状星脉冲星和毫秒脉冲星B1937+21中巨脉冲的极端特性。
• 确定实现如此高强度、短时标的射电辐射的物理机制及其在脉冲星磁层中的作用。
• 探讨巨脉冲是否可作为有效的粒子加速器并引发级联对产生。
• 评估这些脉冲对长周期脉冲星中正常脉冲射电辐射产生机制的影响。

提出的方法

• 利用多个射电望远镜（包括阿雷西博、GBT、WSRT和UTR-2），在20 MHz至5 GHz频段进行长时间、多频段观测。
• 采用高带宽、高时间分辨率的数据采集系统（Mk5A、S2、K5），采样时间为8–16 ns，连续记录时长达6–12小时。
• 对原始数据应用相干色散延迟校正，以保留脉冲结构并实现精确的流量密度测量。
• 以纳秒级时间分辨率分析脉冲波形、强度分布及偏振演化特性。
• 基于同步辐射理论，模拟强磁场中高强度电磁波与相对论性电浆的相互作用。
• 评估通过正负电子对产生与波放大反馈回路实现自持辐射的潜在机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 蟹状星脉冲星和毫秒脉冲星B1937+21中巨脉冲的极端流量密度和持续时间是多少？
• RQ2 巨脉冲的偏振特性在纳秒时间尺度上如何演化，这对其辐射区域大小有何含义？
• RQ3 巨脉冲是否能在强磁场中通过同步辐射产生相对论性电子-正电子对？
• RQ4 何种物理机制使巨脉冲在脉冲星磁层中成为有效的粒子加速器？
• RQ5 为何巨脉冲在大多数长周期脉冲星中未被观测到，这与能量向正常射电辐射转移的关系如何？

主要发现

• 蟹状星脉冲星的巨脉冲峰值流量密度超过100万Jy（10^6 Jy），在30小时观测中检测到多个强脉冲。
• 蟹状星脉冲星和毫秒脉冲星B1937+21的强巨脉冲具有小于10 ns的本征持续时间，表明其来自紧凑区域。
• 巨脉冲的偏振在仅10–20 ns的短时间间隔内快速变化，表明其来自空间上分离的、高度相干的区域。
• 在强磁场（蟹状星脉冲星中为10^12 G）中，此类高强度电磁波与电浆的相互作用可使粒子加速至洛伦兹因子γ ~ 10^4–10^6。
• 加速粒子产生的同步辐射可引发电子-正电子对的产生，且在两颗脉冲星中均已超过对产生阈值能量。
• 提出一种自持机制：巨脉冲触发正负电子对级联，导致次级巨脉冲产生并实现持续辐射。