[论文解读] Pulsar wind nebulae in supernova remnants

E. van der Swaluw, A. Achterberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2000

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文通过球对称流体动力学模拟研究了超新星遗迹（SNR）中的脉冲星风星云（PWN），表明当超新星遗迹的倒流冲击波与PWN相互作用并衰减后，PWN的膨胀从超音速转变为亚音速。关键结果是，通过波耗散，倒流冲击波将能量传递至PWN内部，使PWN的能量含量比稳态模型预测值高出约20%。

ABSTRACT

A spherically symmetric model is presented for the interaction of a pulsar wind with the associated supernova remnant. This results in a pulsar wind nebula whose evolution is coupled to the evolution of the surrounding supernova remnant. This evolution can be divided in three stages. The first stage is characterised by a supersonic expansion of the pulsar wind nebula into the freely expanding ejecta of the progenitor star. In the next stage the pulsar wind nebula is not steady; the pulsar wind nebula oscillates between contraction and expansion due to interaction with the reverse shock of the supernova remnant: reverberations which propagate forward and backward in the remnant. After the reverberations of the reverse shock have almost completely vanished and the supernova remnant has relaxed to a Sedov solution, the expansion of the pulsar wind nebula proceeds subsonically. In this paper we present results from hydrodynamical simulations of a pulsar wind nebula through all these stages in its evolution. The simulations were carried out with the Versatile Advection Code.

研究动机与目标

• 在球对称条件下，模拟脉冲星风星云（PWN）与超新星遗迹（SNR）的耦合演化。
• 研究SNR的倒流冲击波在早期和中期演化阶段对PWN动力学的影响。
• 将基于PWN膨胀的解析模型与使用Versatile Advection Code（VAC）的流体动力学模拟进行比较。
• 量化在非稳态过渡阶段，来自倒流冲击波的能量向PWN内部的传递量。
• 确定PWN膨胀从超音速转为亚音速的条件，以及由此引发的结构和能量变化。

提出的方法

• 使用专为天体物理磁流体动力学设计的流体动力学代码Versatile Advection Code（VAC）进行模拟。
• 采用球对称模型，假设脉冲星固定于SNR中心，且抛射物密度均匀，速度呈线性分布。
• 脉冲星风被建模为恒定的自转损耗光度，驱动风在自由膨胀的SNR抛射物中扩展。
• 演化过程分为三个阶段：PWN在自由抛射物中以超音速膨胀；因倒流冲击波相互作用引起非稳态振荡；冲击波回波衰减后进入亚音速膨胀。
• 基于Rankine-Hugoniot关系和能量守恒推导了解析解，并与模拟结果进行对比。
• 跟踪PWN气泡的能量含量随时间的变化，以评估来自冲击波相互作用的能量增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期阶段，当脉冲星风星云（PWN）与超新星遗迹（SNR）的动力学耦合时，其膨胀如何演化？
• RQ2 从超音速到亚音速PWN膨胀的转变具有何种性质？是什么驱动了这一转变？
• RQ3 在相互作用阶段，SNR的倒流冲击波向PWN内部传递了多少能量？
• RQ4 流体动力学模拟的结果与恒定风光度下PWN膨胀的解析模型相比如何？
• RQ5 冲击波回波对PWN的稳定性与能量含量有何影响？

主要发现

• 在初始阶段，PWN在SNR自由膨胀抛射物中以超音速膨胀，与早期解析预测一致。
• SNR的倒流冲击波引起PWN的非稳态振荡，导致因回波效应而出现短暂的收缩与膨胀。
• 在倒流冲击波及其回波衰减后，PWN进入亚音速膨胀阶段，此时与SNR内部处于近似压力平衡状态。
• 由于倒流冲击波相互作用引起的波耗散，PWN的能量含量相比超音速阶段的半解析预测值增加了约20%。
• PWN适应SNR压力的时间尺度由第一阶段中被冲击的抛射物的声速决定。
• 当脉冲星获得显著的反冲速度时，该模型失效，因为它将导致脉冲星以超音速穿过SNR，形成弓形激波，从而破坏球对称性假设。