[论文解读] Why pulsars rotate and move: kicks at birth

H. C. Spruit, E. S. Phinney|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 1998

Scientific Research and Discoveries参考文献 16被引用 159

一句话总结

本文提出，脉冲星自转与诞生时的高速运动均由同一非对称的新生冲量引起，角动量守恒将两者联系起来。该研究表明，偏心冲量自然地同时产生自转与速度，并预测自转与速度矢量之间存在相关性，从而解释为何许多中子星以长周期（>2 秒）诞生，因而从未成为射电脉冲星。

ABSTRACT

RADIO pulsars are thought to born with spin periods of 0.02-0.5 s and space velocities of 100-1000 km/s, and they are inferred to have initial dipole magnetic fields of 10^{11}-10^{13}. The average space velocity of a normal star in the Milky Way is only 30 km/s, which means that pulsars must receive a substantial 'kick' at birth. Here we propose that the birth characteristics of pulsars have a simple physical connection with each other. Magnetic fields maintained by differential rotation between the core and envelope of the progenitor would keep the whole star in a state of approximately uniform rotation until 10 years before the explosion. Such a slowly rotating core has 1000 times less angular momentum than required to explain the rotation of pulsars. Although the specific physical process that 'kicks' the neutron star at birth has not been identified, unless its force is exerted exactly head-on, it will also cause the neutron star to rotate. We identify this process as the origin of the spin of pulsars. Such kicks will cause a correlation between the velocity and spin vectors of pulsars. We predict that many neutron stars are born with periods longer than 2 s, and never become radio pulsars.

研究动机与目标

• 解释观测到的脉冲星自转周期与诞生时空间速度的起源。
• 解决观测到的脉冲星特性与标准磁通量守恒模型之间的矛盾。
• 探究导致脉冲星冲量的同一物理机制是否也赋予其观测到的自转。
• 预测中子星的初始自转周期分布，并解释孤立的、缓慢旋转中子星的存在。

提出的方法

• 利用大质量恒星核心与包层之间的磁耦合，维持均匀旋转直至核心收缩加速。
• 应用条件 Ωτₑ > 1 确定磁耦合断裂的时刻，从而在解耦核心中实现角动量守恒。
• 通过麦克斯韦应力平衡推导维持均匀旋转所需的磁场强度：B̄ ≈ (I_c Ω / (R_c³ τ_e))^{1/2}。
• 将新生冲量建模为在原中子星半径 r_i 处施加的动量脉冲，计算由此产生的速度与角动量。
• 考虑推力分量随时间的旋转平均，表明短周期脉冲星的横向速度会降低。
• 通过模拟四次持续时间为 0.32 秒的推力，结合自转减慢与选择效应，将结果与观测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制可同时解释脉冲星自转周期与诞生时的高速运动？
• RQ2 核心与包层之间的磁耦合如何影响大质量恒星核心塌缩前的角动量输运？
• RQ3 由非对称冲量诞生的中子星中，自转与速度矢量之间预期存在何种相关性？
• RQ4 为何一些中子星具有超过 2 秒的初始自转周期并始终未被探测为射电脉冲星？
• RQ5 长持续时间的冲量如何影响射电脉冲星中自转与速度之间的观测相关性？

主要发现

• 该模型预测中子星以约 100 秒的初始自转周期诞生，远长于射电脉冲星观测到的 0.02–0.5 秒。
• 观测到的脉冲星自转周期并非前身星旋转的残余，而是由同一非对称新生冲量所产生，该冲量也赋予其空间速度。
• 预测自转与速度矢量之间存在相关性，由于横向分量的旋转平均，冲量更倾向于与自转轴对齐。
• 自转周期短的脉冲星（P₀ < 0.32 s）预期具有较低的横向速度，其空间速度相比长周期系统降低约 √3 倍。
• 该模型解释了高速短周期脉冲星的观测缺失，其根源在于长持续时间冲量作用于单一热点，增强了旋转平均效应。
• 预测大量中子星以周期 >2 s 的状态诞生，因而从未成为射电脉冲星，与 ROSAT 和 ASCA 发现的孤立、缓慢旋转中子星一致。