[论文解读] Excitation of wakefield around pulsars

V. I. Berezhiani, Z. Osmanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文利用一维线性化动量、连续性与泊松方程模型，研究了脉冲星周围电浆中由高强度高能辐射激发的静电尾波场。结果表明，辐射力可产生行进的尾波场结构，在蟹状脉冲星附近0.01 AU处电势差可达0.4 keV，而在年轻毫秒脉冲星附近可达2 keV，表明在脉冲星风星云中具有显著的粒子加速潜力。

ABSTRACT

We study the generation of the wakefields by means of the high energy radiation of pulsars. The problem is considered in the framework of a one dimensional approach. We linearize the set of governing equations consisting of the momentum equation, continuity equation an Poisson equation and show that a wavelike structure will inevitably arise relatively close to the pulsar.

研究动机与目标

• 研究脉冲星的高能辐射如何在周围电浆中激发静电尾波场。
• 采用一维线性化方法对控制电浆方程进行建模，以生成尾波场。
• 估算在蟹状脉冲星和年轻毫秒脉冲星的脉冲星风星云中，可能加速电子的电势差。
• 评估辐射反冲力与电荷分离在驱动集体电浆振荡中的作用。

提出的方法

• 基于存在辐射力的电浆，构建了使用动量方程、连续性方程与泊松方程的一维模型。
• 对方程进行线性化处理，推导出由辐射力驱动的密度扰动波方程。
• 通过变量替换 ξ = x - ct 将系统变换至移动参考系，以分析行进的尾波场结构。
• 假设辐射力呈阶跃型分布，以解析求解静电势 ϕ(ξ)。
• 采用辐射反冲力 Frad = σT F / c，其中 F 由辐射光度与辐射锥的立体角推导得出。
• 求解得到的四阶微分方程，获得依赖于电浆频率与辐射参数的电势分布 ϕ(β)。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星的高能辐射能否在周围电浆中激发静电尾波场？
• RQ2 在一维电浆模型中，所诱导的尾波场的空间结构与振幅如何？
• RQ3 对于不同类型的脉冲星，尾波场中可能加速电子的电势差有多大？
• RQ4 辐射锥几何形状与光度在尾波场生成中起什么作用？

主要发现

• 对于蟹状脉冲星，在距离脉冲星0.01 AU处，被捕获的电子经历的电势差约为0.4 keV。
• 对于年轻毫秒脉冲星（P ≈ 0.001 s，Ṗ ≈ 10−12 s−1），在0.01 AU处电势差最高可达2 keV。
• 尾波场电势由辐射反冲力与电荷分离驱动，电势分布以归一化位置 β 的函数形式解析给出。
• 该模型预测，相速度与辐射群速度匹配的尾波场可高效捕获并加速电子。
• 电势差与脉冲星自转周期及自转降速率呈强相关性，凸显毫秒脉冲星作为潜在粒子加速器的重要性。
• 结果与观测到的脉冲星风星云中X射线光度与辐射锥角度一致，支持该加速机制的可行性。