脉冲星物理_高峰.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,脉冲星基础,物理部分,高 峰,中国科学院国家授时中心,chgf,脉冲星发现发展的几点意义,20,世纪,60,年代天文学四大发现之一；,中子星的预言被证实；,可预测引力波的存在；,射电脉冲星和射线脉冲星的关系被确认；,寻找太阳系之外行星系统最成功的例子；,认知了中子星产生的主要机制；,“,脉冲星,”,钟获得了较大的发展；,成为研究星际介质的有力工具。,脉冲星发现简史,1933,年中子星在理论上被预言；,1934,年提出超新星爆发可产生中子星；,1939,年提出了中子星结构；,1967,年意大利天文学家帕西尼,paper,中指出,“,在蟹状星云中存在一个由中子组成的星，它每秒自转多次，有很强的磁场，磁偶极辐射给星云以能量,”,；,1967,年英国剑桥大学的休伊什教授和贝尔小姐意外发现射电脉冲星；,1933-1967(,时间漫长的原因？,),光学望远镜观测不到；,偶然发现也是未知；,射电望远镜：,灵敏度不够（多数脉冲星流量密度,0.1Jy,典型大射电望远镜本身噪音,100Jy,）；,时间常数：小周期信号被大时间观测平滑掉；,没有人猜测研究中子星的辐射特性及理论模型,（休伊什教授，贝尔小姐）,安东尼,休伊什,FRS,（,英语,：,Antony Hewish,，,1924,年,5,月,11,日，生于,英格兰,康沃尔郡,福伊,）是一位,英国,射电天文学家,，与,马丁,赖尔,共同获得,1974,年,诺贝尔物理奖,，以表彰休伊什在射电,合成孔径,的发展与,脉冲星,被发现的参与，休伊什也是,1969,年,英国皇家天文学会,爱丁顿奖章,的得奖者,。,1954y,星际闪烁的推测,1964y,角径小于,0.51,角秒、波长大于,1,米射电源可产生星际闪烁,1965y,在蟹状星云得角径,0.2,角秒的致密成份,.,1965y,剑桥大学穆拉德射电天文台新建射电望远镜接收波长为,3.7m,观测常数为,0.1s.,贝尔于,1965,年从,格拉斯哥大学,毕业获得科学学士学位，,1969,年于,剑桥大学,纽霍学院（后改名为,默里,爱德华兹学院,）获,博士,学位。在剑桥，她与休伊什等人共同建造,8,利用,星际闪烁,研究,类星体,的,射电望远镜,。在,1967,年,7,月，她在跟踪在天空中的星星的图表记录上发现了少许的“浮渣”。贝尔女士发现，脉冲信号非常规律的以约每秒一次的脉冲率跳动。这一脉冲的来源暂时被称为“小绿人,1,号”（,Little Green Man 1,，或,LGM-1,，现在被称为,PSR B1919+21,），几年后被确认为一个快速旋转的,脉冲星,。,“,我在这儿搞一项新的技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯,”。,1977,年出版的一本由著名脉冲,星专家撰写的“脉冲星”专著的第一页写道：“,献给乔丝琳,贝尔博士，没有她的有洞察力的、坚持不断的努力，我们现在还可能没有从事脉冲星研究的这份快乐。,”,脉冲星的物理部分,赫罗图（,Hertzsprung-Russel diagram,，简写为,H-R diagram,）是,丹麦,天文学家赫茨普龙及由,美国,天文学家,罗素,分别于,1911,年和,1913,年各自独立提出的。后来的研究发现，这张图是研究,恒星演化,的重要工具，因此把这样一张图以当时两位,天文学家,的名字来命名，称为赫罗图。,赫罗图,1.,年青,(,引力为主,),2.,主序（平衡）,主序后,(,辐射,),3.,老年：,白矮星,1.44M,中子星,1.44-2M,黑洞,脉冲星的“赫罗图”,毫秒脉冲星（,P20ms,）,200,脉冲双星（双星中有一颗是脉冲星）,130,X-ray,脉冲星,80,反常,X-ray,脉冲星,12,磁星,10151017G 6,在星团中发现的,98,银河系之外,25,双脉冲星,1,脉冲星“视觉盛宴”,脉冲星物理参数,1.,中子星的质量：,假定中子星半径为,全部由中子组成，共有个中子每个中子所占空间为：,中子平均间距,:,中子的动量与中子距离应满足测不准关系：,中子星稳定的条件是中子动能和引力能近似：,中子的引力势能由一个中子受体积内所有中子作用决定：,当中子的动能和引力能相等时，稳定态中子数如下,脉冲星物理参数,2.,脉冲星的转动能损率,脉冲星的快速自转动能为,:,假设脉冲星是一个均匀球体，自转轴通过球心，其转动惯量,可转动能损率为,3.,磁偶极辐射模型和磁场的估计,旋转周期为,P,的垂直磁矩为 的磁偶极辐射功率为,脉冲星物理参数,磁 偶极模型是假定偶极辐射功率等于自转能损率，故,式中除了磁场外，都是常数和观测量，可计算磁场,4.,制动指数,一般，假定自转频率变慢的规律是角速度的幂律形式,K,为常数，,n,为制动指数，由磁偶极模型可给出,脉冲星物理参数,5.,特征年龄,脉冲星的自转变化遵从如下规律,假定初期周期非常小，则积分后可得：,脉冲星的观测特性,观测技术,灵敏度问题,射电望远镜观测脉冲星的灵敏度公式,C,为观测资料的信噪比；,Tsys,系统噪声温度；,Tsky,背景哭噪声温度；,G,天线增益；,Np,观测馈源的极化数；,v,接收系统的频带宽度；,t_int,观测时间；,P,脉冲周期；,W,脉冲等效宽度；,观测技术,脉冲宽度,W,所受的影响：,结论：,距离、星际介质的电子密度和观测频率都会影响到脉冲星的观测灵敏度。,观测技术,2.,角分辨率,脉冲星观测分辨率要求并不高,对灵敏度有较高的要求,提高灵敏度的方法,研制大型射电望远镜,按周期折叠的方法提高灵敏度（折叠后 平均脉冲的形状长期不变）,观测技术,单个脉冲和按周期折叠,(PSR0329+54),观测技术,消色散接收技术的应用,灵敏度与频带宽度的,1/2,次方成正比，带度增加,100,倍，灵敏度就增大,10,倍；,接收机带宽限制上限,tau,是脉冲宽度；,观测技术,右图：,PSR1641-45,观测结果,Parkes 64,通道,纵坐标：频率通道数,横坐标：到达时间,（以周期表示）,观测技术,消色散技术的原理：,根据理论计算出每个频率通道的延迟时间，在补延迟时间以后把各通道记录叠加在一起，既消除色散影响，又提高了灵敏度；,观测技术,谐波的非相干相加技术,观测技术,消色散多通接收机处理数据的步骤,在一定的色散量范围内,(,如,DM=0-200),按一定步长，进行消色散叠加（如,DM=0.5,这样就产生了,400,个消色散后的结果）；,将这,400,种消色散后的结果进行富利叶变换，进行丰相干相加，选出信噪比较高的谱线作为候选者；,对候选谱线，按周期值对时间序列折叠，然后以候选谱线的周期和色散为中心，分别对周期和色散量在小范围内搜索，选择敏感的谱线；,考察累积脉冲轮廓及相位和频率的关系，判断是否具有脉冲星辐射特性；,对最佳候选者再次观测确认。,脉冲星的观测特性,辐射特性,表征辐射过程的各种脉冲,单个脉冲和子脉冲,上图：,PSR0329+54,单个脉,冲记录，频率,410MHZ,仪器,时间常数为,20ms,单个脉冲,强度、形状相位、和偏振,随机变化，有精细结构，,子脉冲是强偏振的；,下图：漂移子脉冲理想化图p1,自转周期，,p2,为子脉冲分离间隔，,p3,为漂移周期。,辐射特性,零脉冲,零脉冲是指哪些强度小于正常脉冲强度,1%,的脉冲，脉冲星本身所固有的。,脉冲发射的沉寂和再现；,自转周期相当明确；,一般零脉冲只占,5,20%,；,死亡的前夜；,辐射特性,微脉冲,当时间常数减小到,10,微秒时，一些脉冲星的子脉冲就显示出微结构，特征宽度为周期的,0.1%;,右上：,PSR0950+08,的一个单脉冲微脉结构；,右下：,PSR0950+08,在,430MHZ,和,1406MHZ,上的观测；,辐射特性,2.,平均脉冲（辐射窗口）,按周期折叠，同步叠加；,可以提高观测灵敏度；,长期保持稳定性；,平均脉冲宽度的三种表示,半功率宽度,10%,宽度,等值宽度,脉冲宽度和形状是,区分脉冲星的重要,依据。,辐射特性,3.,平均脉冲（形状变化）,右上：不同的脉冲星平均脉冲形状 各不相同；,右下：少数脉冲星出现平均脉冲,模式变化,PSR1237+25,PSR0329+54,实线是正常模式,虚线是反常模式,辐射特性,4.,平均脉冲（随频率变化）,右上：,12,颗脉冲星的多频观测平均,脉冲形状和宽度的变化,右下：三颗脉冲星脉冲宽度随频率,变化出现,“,吸收,”,现象；,（占少数）,辐射特性,5.,平均脉冲（单峰多峰）,右上：,PSR1462-03,多频观测在低频时为单峰，在高频处则为三峰结构,右下：,PSRB0450+55,平均脉冲成分,高斯拟合分离由三峰变五峰,辐射特性,6.,平均脉冲（频谱）,上式为脉冲星的频谱（幂律谱）,S,为流量密度；,a,为谱指数，典型值为,1.5,，高,频为,2,；,在低频处存在频谱反转，反转,发生在,100-500MHz,间,脉冲星脉冲的时间特性,前瞻性应用脉冲星钟,毫秒脉冲星的自转周期非常,稳定，是自然界最稳定的钟,读准需要较长的时间，必须,建立脉冲星钟计时模型,短期稳定性不如原子钟，长,期稳定性超过原子钟,脉冲星脉冲的时间特性,脉冲星研究方法,通过观测脉冲到达时间,(TOA),测得脉冲星的周期、周期导数、色散等基本观测参数；,由周期、周期导出推定年龄、磁场、制动指灵长、发现双星及测定双星参数；,由一年以上的观测测定脉冲星的位置；,结合适当星际介质模型可以估计脉冲星距离；,通过脉冲周期的不均匀变化可以进一步研究脉冲星,内部结构和信息。,脉冲星脉冲的时间特性,脉冲星位置的确定,=500s,太阳到达地球,时间；,地球公转角速度；,和 分别是脉冲星的黄经和黄纬；,最大时延对应脉冲,星的黄经；,黄纬和振幅有关；,脉冲星脉冲的时间特性,考虑色散延迟、钟差、相对论效应、归算到太阳系质心最后到达时间：,脉冲星自转模型：,残差为：,脉冲星脉冲的时间特性,脉冲星到达时间,(TOA),分析步骤,将观测到的,TOA,转换到太阳系质心,采用自转参数、天体测量参数等近,似值结合分析模型进行最小二乘法,拟合，得到自转相位的残差；,根据残差表现的系统趋势，对脉冲,星参数和分析模型进行修正后重新拟合；,右图：残差系统趋势：,周期：线性变化,周期导数：二次曲线,位置：正弦曲线,自行：振幅增的正弦曲线,