[论文解读] Gamma Rays From Rotation-Powered Pulsars

A. K. Harding|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文研究了自转驱动脉冲星中脉动伽马射线辐射的起源，对比了极冠模型与外围间隙模型，以解释观测到的伽马射线和射电辐射特性。研究预测，即将开展的GLAST任务将探测到大量原本无射电辐射的伽马射线脉冲星，尤其是在外围间隙模型下，从而解决关于脉冲星辐射源位置及粒子加速机制的长期争议。

ABSTRACT

The seven known gamma-ray pulsars represent a very small fraction of the more than 1000 presently known radio pulsars, yet they can give us valuable information about pulsar particle acceleration and energetics. Although the theory of acceleration and high-energy emission in pulsars has been studied for over 25 years, the origin of the pulsed gamma rays is a question that remains unanswered. Characteristics of the pulsars detected by the Compton Gamma-Ray Observatory could not clearly distinguish between an emission site at the magnetic poles (polar cap models) and emission from the outer magnetosphere (outer gap models). There are also a number of theoretical issues in both type of model which have yet to be resolved. The two types of models make contrasting predictions for the numbers of radio-loud and radio-quiet gamma-ray pulsars and of their spectral characteristics. GLAST will probably detect at least 50 radio-selected pulsars and possibly many more radio-quiet pulsars. With this large sample, it will be possible to fully test the model predictions and finally resolve this longstanding question.

研究动机与目标

• 确定自转驱动脉冲星中脉动伽马射线的辐射源位置——是位于磁极（极冠模型）还是在外层磁层（外围间隙模型）。
• 尽管已有超过25年的理论研究，仍需解决脉冲星粒子加速与高能辐射机制中的长期争议。
• 基于康普顿伽马射线天文台的观测约束，预测不同辐射模型下无线电波亮与无线电波暗的伽马射线脉冲星的预期数量。
• 评估即将开展的GLAST任务探测大量无线电波选中与无线电波暗脉冲星的潜力，从而对竞争性辐射模型进行最终检验。

提出的方法

• 分析康普顿伽马射线天文台（CGRO）的观测数据，包括七颗已知伽马射线脉冲星的脉冲轮廓与能谱特性。
• 基于辐射几何结构与束射模式，比较极冠模型与外围间隙模型对无线电波亮与无线电波暗伽马射线脉冲星比例的预测。
• 通过模拟无线电波与伽马射线脉冲星群体，测试模型预测，同时考虑模型假设与探测阈值的变化。
• 评估未来任务（GLAST、AGILE与Integral）的灵敏度，特别是GLAST在盲周期搜索与脉动伽马射线辐射探测方面的能力。
• 考虑极冠模型中的非束射伽马射线辐射，即高海拔粒子的曲率辐射可能在无线电波束未对准时仍可探测到。
• 评估地面切伦科夫望远镜探测TeV与GeV能量段脉动辐射的潜力，为辐射模型提供额外约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 自转驱动脉冲星中脉动伽马射线的主要辐射源位置是磁极（极冠模型）还是外层磁层（外围间隙模型）？
• RQ2 为何在超过1,000颗已知的射电脉冲星中仅探测到七颗伽马射线脉冲星？这对我们理解辐射机制与束射模式有何启示？
• RQ3 极冠模型与外围间隙模型在无线电波亮与无线电波暗伽马射线脉冲星的预测数量上存在何种差异？可通过何种观测手段加以区分？
• RQ4 GLAST任务在探测无线电波暗伽马射线脉冲星方面的能力如何？这将如何帮助解决脉冲星辐射模型中的长期模糊性？
• RQ5 极冠模型中的非束射伽马射线辐射是否可解释部分EGRET未识别源，特别是与年轻盖尔德带相关的源？

主要发现

• 已知的七颗伽马射线脉冲星均为无线电波亮源，Geminga可能为例外，且除毫秒脉冲星J0218+4232外，其余均为年轻源（年龄小于10^6年）。
• 外围间隙模型预测无线电波暗与无线电波亮伽马射线脉冲星的比例显著高于极冠模型，GLAST可能探测到的无线电波暗脉冲星数量是无线电波亮脉冲星的13倍。
• 极冠模型预测GLAST将探测到略多于无线电波暗的脉冲星，但仅有约10%的无线电波暗源会表现出可探测的脉动伽马射线辐射，受限于探测灵敏度。
• 伽马射线与射电脉冲相位之间的观测相关性——即射电脉冲常领先于伽马射线脉冲——支持单一磁极辐射，且辐射呈中空圆锥或宽扇形波束几何结构。
• 模拟结果表明，尽管极冠模型中的非束射伽马射线辐射更微弱且更弥散，但仍可能解释部分EGRET未识别源，特别是邻近盖尔德带内的源。
• 预计GLAST将探测至少50颗无线电波选中的脉冲星，可能探测到更多无线电波暗脉冲星，从而为辐射模型预测提供最终检验，并解决脉冲星高能辐射的起源问题。