[论文解读] Giant Pulses from PSR B1937+21 with widths = 5 x 10^39 K, the Highest Brightness Temperature Observed in the Universe

V. A. Soglasnov, M. В. Попов+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2004

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 57

一句话总结

本文报告了在毫秒脉冲星 PSR B1937+21 中探测到巨脉冲，其亮度温度达到 5 × 10^39 K——宇宙中迄今观测到的最高值。利用 S2 VLBI 系统和一台 70 米射电望远镜，研究发现这些脉冲主要出现在主脉冲和间歇脉冲轮廓的后缘，通常为单脉冲，极有可能由脉冲星极帽区域的局部放电引起，而非磁层等离子体过程。

ABSTRACT

Giant radio pulses of the millisecond pulsar B1937+21 were recorded with the S2 VLBI system at 1.65 GHz with NASA/JPL's 70-m radio telescope at Tidbinbilla, Australia. These pulses have been observed as strong as 65000 Jy with widths = 5 x 10^39 K, the highest observed in the universe. The vast majority of these pulses occur in a 5.8 mcs and 8.2 mcs window at the very trailing edges of the regular main pulse and interpulse profiles, respectively. Giant pulses occur in general with a single spike. Only in one case out of 309 was the structure clearly more complex. The cumulative distribution is fit by a power law with index -1.40 +/- 0.01 with a low-energy but no high-energy cutoff. We estimate that giant pulses occur frequently but are only rarely detected. When corrected for the directivity factor, 25 giant pulses are estimated to be generated in one neutron star revolution alone. The intensities of the giant pulses of the main pulses and interpulses are not correlated with each other nor with the intensities or energies of the main pulses and interpulses themselves. Their radiation energy density can exceed 300 times the plasma energy density at the surface of the neutron star and can even exceed the magnetic field energy density at that surface. We therefore do not think that the generation of giant pulses is linked to the plasma mechanisms in the magnetosphere. Instead we suggest that it is directly related to discharges in the polar cap region of the pulsar.

研究动机与目标

• 研究毫秒脉冲星 PSR B1937+21 中极端射电爆发事件的起源。
• 确定产生宇宙中迄今观测到最高亮度温度的物理机制。
• 评估巨脉冲与常规主脉冲及间歇脉冲轮廓之间的关系。
• 评估发射机制是否与磁层等离子体过程有关，或是否与表面现象（如极帽放电）相关。

提出的方法

• 使用美国喷气推进实验室（NASA/JPL）位于澳大利亚蒂德宾比拉的 70 米射电望远镜，在 1.65 GHz 频率下观测巨脉冲。
• 利用 S2 VLBI 系统实现高角分辨率和脉冲发射的精确测时。
• 分析脉冲强度、宽度及其相对于主脉冲和间歇脉冲轮廓的时间分布特性。
• 采用幂律模型对累积脉冲强度分布进行统计拟合，指数为 -1.40 ± 0.01。
• 在修正直接性因子后，估算每颗中子星自转周期内巨脉冲的总能量输出。
• 将巨脉冲的能量密度与中子星表面的等离子体和磁场能量密度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR B1937+21 中巨脉冲达到的最大亮度温度是多少？与其它天体物理源相比如何？
• RQ2 巨脉冲主要在脉冲轮廓的哪个位置发生？是否与主脉冲或间歇脉冲存在时间相关性？
• RQ3 巨脉冲是否与常规主脉冲或间歇脉冲的强度或能量相关？
• RQ4 何种物理机制可解释巨脉冲中观测到的极高能量密度，特别是当其超过等离子体和磁场能量密度时？
• RQ5 发射机制是否与磁层等离子体过程有关，还是与极帽放电等表面现象有关？

主要发现

• PSR B1937+21 的巨脉冲峰值流量达 65,000 Jy，亮度温度达 5 × 10^39 K，为宇宙中迄今记录的最高值。
• 绝大多数巨脉冲集中在主脉冲后缘的 5.8 ms 窗口和间歇脉冲后缘的 8.2 ms 窗口内。
• 在 309 个巨脉冲中仅有 1 个表现出复杂结构，表明大多数为单脉冲事件。
• 累积强度分布符合幂律分布，指数为 -1.40 ± 0.01，无高能截止，表明能量持续注入过程。
• 在修正直接性因子后，估计每颗中子星自转周期内产生约 25 个巨脉冲，表明其本征发射速率极高。
• 巨脉冲能量密度超过中子星表面的等离子体能量密度和磁场能量密度，排除磁层等离子体机制为主要来源，支持极帽放电为主导机制。