高能脉冲星的发现和搜寻 王 伟 国家天文台 2013年脉冲星暑期讲习班 8月13日- 8月23日 北京

主要内容 高能脉冲星: 如何定义? 高能脉冲星的发现 高能脉冲星的搜寻和研究 1、X射线脉冲星 2、伽玛射线脉冲星 高能脉冲星搜寻的最新突破也是重大突破 – Fermi卫星发现大量伽玛射线脉冲星 总结与展望

如何定义高能脉冲星 天文学的电磁波观测窗口 观测海平面高度 伽玛射线 X射线 紫外 可见光 红外 射电 高能天体物理观测窗口

脉冲星多波段辐射能谱特征（总体）： 伽玛射线 辐射流量 射电 X射线 辐射最强的2个波段：射电 - 我们熟知的射电脉冲星 光学 光子能量 辐射最强的2个波段：射电 - 我们熟知的射电脉冲星 高能，主要是伽玛射线波段 ，峰 值能量在GeV 因此高能波段也可以发现许多新脉冲星，研究脉冲星物理，开展脉冲星应用研究（导航）。 高能脉冲星是脉冲星家族很重要的组成部分！

高能脉冲星的发现 第一颗高能脉冲星：Crab脉冲星 1964年通过气球试验，发现了Crab脉冲星和其星风云的X射线辐射（10-60 keV）。 后续气球/火箭观测（1970）探测到X射线脉冲（1968年Arecibo发现射电脉冲） 。 Crab脉冲星和其星风云是全天最亮的稳定X射线源，并作为X射线天文的标准烛光。 1970s, SAS-2高能卫星发现其伽玛射线脉冲辐射(>10MeV)！

两颗高能脉冲星的时代 1970s : SAS-2卫星（美国） 发现了Crab和Vela 脉冲星的伽玛射线脉冲辐射 1970s – 1982 : COS-B卫星（欧洲） 探测到Crab和Vela 的脉冲辐射（>50MeV） 探测到二十颗新的伽玛射线点源 – 一些源后来被证认是脉冲星。

高能脉冲星的搜寻和研究 如何搜寻高能脉冲星： 1、已知射电脉冲星(周期、位置)，高能卫星跟踪观测，发现X射线或伽玛射线脉冲； 2、高能探测器通过盲扫(blind-search)观测，独立发现新的脉冲星(新的位置、新的周期)它们甚至没有射电辐射。 我们这里只讨论快速自转的中子星通过转动能损产生的高能脉冲星。中子星在双星系统可以通过吸积物质到表面产生吸积X射线脉冲星，这类天体其他老师将会讨论(17号李向东老师和下午其他老师的报告)。

X射线脉冲星搜寻 ROSAT卫星X射线全天巡天观测（德国） 波段：0.1-2.4 keV 历时10年 1990-1999

ROSAT巡天： 发现了超过10万个X射线源。 天文学家可以利用ROSAT数据第一次开展系统的X射线脉冲星搜寻。 发现了27颗X射线脉冲星（Becker & Truemper 1997）！ 脉冲星研究主要发现 ： 1、第一次发现毫秒脉冲星的X射线脉冲(Becker & Truemper 1993)； 2、探测到射电宁静伽玛射线脉冲星Geminga的X射线脉冲（ Halpern & Holt 1992 ）； 3、年老脉冲星（Myr）表面热辐射的脉冲信号，测量中子星表面温度（ Ogelman 1995 ）。

第一颗X射线毫秒脉冲星 PSR J0437-4715 PSR J0437-4715 双星系统，伴星0.2M⊙ P=5.75 ms Porb=5.74 day 1993年被Parkes发现 (Johnston et al. 1993 Nature 361 613 ) X射线单脉冲辐射 热辐射，温度1.7x106K (Becker & Truemper 1993 Nature 365 528)

X射线脉冲星的性质 年轻脉冲星 年老脉冲星 毫秒脉冲星

X 射线光度与脉冲星自转能损率的关系 Lx ≈ 0.001 dE/dt Becker & Truemper 1997

中子星冷却曲线 中子星诞生于超新星爆发，诞生时温度很高（>108 K），然后慢慢冷却至（106 K）。 这个冷却过程细节直接反映中子星内部结构(超流)。 X射线脉冲星热辐射的研究可以让我们了解中子星内部的未知世界。

ROSAT后，ASCA(日本)，BeppoSAX(意大利)，Chandra(美国)，XMM-Newton(欧洲)继续发现了许多X射线脉冲星。现在大约超过80颗X射线脉冲星，其中有20多颗X射线毫秒脉冲星。还包括近20颗磁星(2-12秒,磁场>1014G)的特殊脉冲星(17号仝号老师将专门介绍)。 Chandra具有高角分辨率 (0.5”)，第一次把X射线脉冲星和脉冲星星风云从图象上分辨出来： Crab Vela

伽玛射线脉冲星的搜寻 开始于Compton天文台时代 (1991 – 2000) 两个主要伽玛射线望远镜： EGRET：>30 MeV 探测到6颗伽玛射线脉冲星(Crab, Vela, PSR B1706-44, PSR B1951+32, PSR B1055-52, Geminga )，其中发现了没有射电辐射新的一类脉冲星 – 射电宁静伽玛射线脉冲星Geminga。 COMPTEL: 0.5 -20 MeV 探测到PSR B1509-58的伽玛射线脉冲。

COMPTON时代的伽玛射线脉冲星 射电、光学、X射线、伽玛射线脉冲轮廓

高能/伽玛射线脉冲星搜寻的高潮 FERMI卫星时代的来临 发射时间：2008年6月 两个主要望远镜： GBM: 8 keV – 40 MeV GRBs和爆发源 LAT：20 MeV to > 300 GeV 伽玛射线源 (PSRs) 面积：8000 cm2 at 1 GeV 角分辨率：0.8o at 1 GeV 大视场 - cover all sky in two orbits 3 hr

FERMI/LAT - 最强大的伽玛射线望远镜 1st generation: SAS, COS-B 2nd generation: EGRET 3rd generation: LAT 9年 1年

2年的伽玛射线观测： 100 MeV - 10 GeV

发现了1873个伽玛射线源 (EGRET 9年 才探测到270个)

FERMI/LAT伽玛射线脉冲星的搜寻 (三个途径) 已知的射电脉冲星的伽玛射线脉冲搜寻 2200多个脉冲星(来自澳大利亚 ATNF Pulsar Catalog)都是伽玛射线脉冲星候选体。 射电脉冲星的位置 脉冲星时间观测的数据(周期及变化) 利用LAT的数据寻找伽玛射线脉冲信号 此方法发现了42颗年轻的伽玛 射线脉冲星。同时第一次探测 到毫秒脉冲星的伽玛射线脉冲。

LAT搜寻射电毫秒脉冲星的伽玛射线脉冲发现了13颗伽玛射线毫秒脉冲星。之前却认为毫秒脉冲星可能不能辐射伽玛射线。

直接利用LAT数据搜寻未知的脉冲星(blind periodicity search) FERMI时代之前，Geminga是唯一通过伽玛射线发现(EGRET)的射电宁静脉冲星。 LAT具有强大的收集伽玛光子的能力，具有直接搜寻脉冲星的潜力。主要集中超新星遗迹、脉冲星星风云、未知的高能辐射源。 已经发现36颗射电宁静伽玛射线脉冲星(35新脉冲星)。 Geminga再也不孤独了，已知的伽玛射线脉冲星，1/4是Geminga 类型的。 周期0.05 – 0.4 s, 年龄104-106 yr

直接利用LAT伽玛射线光子到达时间寻找脉冲周期 新脉冲星 : PSR J1957+5033 P=0.375 s

FERMI/LAT通过伽玛射线发现的第一颗射电宁静脉冲星 脉冲星位于超新星遗迹CTA 1中 P = 0.316 s 年龄 = 1.1 x104 yr 自转能损率 = 4.5x1035 erg/s 没有射电对应体，也没有X射线脉冲辐射!

伽玛射线直接发现毫秒脉冲星？ 非常困难: (1)信号可能很弱；(2)毫秒脉冲星大部分在双星系统里，双星轨道运动导致的多普勒效应会让脉冲信号消失。如果要搜寻毫秒脉冲星脉冲信号，必须先知道双星轨道参数。 借助其他波段的观测手段是必要的。 第一颗通过伽玛射线发现的新毫秒脉冲星 PSR J1311-3430 (Pletsch et al. 2012 Science)：首先利用光学观测确定轨道参数(轨道周期90分钟)，得到P=2.56ms。 很快，其射电脉冲也被探测到(Ray et al. 2013)。

射电搜寻未知的伽玛射线源 FERMI/LAT探测到超过1800个伽玛射线源，其中700个是未知的。它们很可能是脉冲星。 全世界所有大型射电望远镜对准这几百个未知的伽玛射线源(特别是高银纬)，在0.3, 0.8 和 1.4 GHz三个波段搜寻，开创一个新的伽玛射线脉冲星发现窗口。 通过射电搜寻，发现了49颗新脉冲星，其中46颗毫秒脉冲星，3颗年轻脉冲星。 已知射电脉冲周期后，大部分脉冲星可以得到伽玛射线脉冲轮廓。

射电跟踪观测发现大量的伽玛射线毫秒脉冲星，现在伽玛射线毫秒脉冲星超过60颗，还在不断增加中。 伽玛射线毫秒脉冲星已经是伽玛射线源重要组成部分。 LAT改变对毫秒脉冲星的认识！

FERMI/LAT发现的伽玛射线脉冲星 空间分布

银道面的分布 (距离信息)

伽玛射线脉冲星观测特征 FERMI/LAT的强大观测能力大大推动了我们对伽玛射线脉冲星的认识，特别是脉冲星辐射物理。 100多颗伽玛射线脉冲星，它们的统计性质将帮助我们认识伽玛射线脉冲星的共性和特性，可能帮助揭示伽玛射线辐射的物理起源。

伽玛射线脉冲星在Pdot – P 图上的分布

伽玛射线脉冲星的射电强度

射电脉冲轮廓与伽玛射线脉冲轮廓 相位差 双峰 单峰

Crab脉冲星： 以前认为射电脉冲和伽玛射线脉冲是完全重合的（相位差为零） LAT发现：射电峰比伽玛射线峰 落后 281±33 μs

射电峰与伽玛射线峰之间相位差 射电宁静伽玛射线脉冲星，假设相位差为零 伽玛射线双峰之间的相位间隔

伽玛射线光度与自转能损率的关系 它们可能满足关系： L∝ Edot ½ 弥散较大，可能存在更复杂的关系。 前面说到的X射线脉冲星： L x= 0.001Edot

脉冲星辐射伽玛射线脉冲的辐射效率非常高： 10% 左右！ 辐射X 射线脉冲的辐射效率：0.1%。 L/Edot

伽玛射线脉冲星的能谱特征(30MeV – 30 GeV) 脉冲星能谱一般都用一个幂率谱加上一个高能截断形式拟合： 幂率 高能截断

幂率谱指数： 1.6附近 自转能损率越大，谱指数越大，谱形越平。 高能截断：1 – 6 GeV 大部分 2 – 3 GeV 高能截断能量和光速园柱半径处的磁场强度存在弱的相关性。

伽玛射线脉冲星的星风云 两个最强的伽玛射线脉冲星：Vela和Crab Vela pulsar 单一幂律谱 Г～2.4±0.2 Puppis A？

LAT图像：Crab脉冲星和Crab星风云 0.1 – 0.3 GeV 0.3 – 1 GeV > 1 GeV Pulsed Off-pulsed (0.52 – 0.87)

Crab脉冲星 Crab星风云 Г～ 1.97±0.02 Ecut ～ 5.8 ±0.5 GeV (高于其他脉冲星) 2个辐射成分:

总结与展望 第一颗高能脉冲星: Crab脉冲星 全天最亮的稳定X射线源：Crab 全天最亮的稳定伽玛射线源：Vela 已知的伽玛射线脉冲星约150颗 记住2个对高能脉冲星发现和搜寻做出巨大贡献的天文卫星： ROSAT(X射线)，FERMI(伽玛射线)

前面观测发现 Lγ ∝ Edot1/2 Edot1/2/d2 未来高能脉冲星的搜寻 伽玛射线脉冲星的搜寻依然是热点 FERMI/LAT依然在继续工作 数据的增加可以发现更多的射电宁静的新脉冲星 会有更多的未知伽玛射线源，地面的射电望远镜跟踪观测，会发现更多的新脉冲星（ 主要是毫秒脉冲星） 搜寻已知射电脉冲星的伽玛射线脉冲 前面观测发现 Lγ ∝ Edot1/2 我们定义一个参数：伽玛射线脉冲星探测率 Edot1/2/d2

Edot1/2/d2 越大，越容易被探测到伽玛脉冲

X射线脉冲星搜寻与研究 现在不是热点，进展较慢 NuStar(美国,2012年底开始):3-79 keV 小镜子,不开展巡天研究 2014年后，有2颗新X射线望远镜开展全天巡天观测，希望推动X射线脉冲星搜寻 eROSAT(德国，ROSAT接班人): 1 – 20 keV HXMT(中国): 2 – 200 keV 科学期望：发现更多年轻X射线脉冲星(银道面)；研究脉冲星的演化，探索毫秒脉冲星物理起源的问题。

一个最新的例子 科学目标 毫秒脉冲星的起源问题： 理论家认为年轻脉冲星会死亡，低质量X射线双星系统中脉冲星会通过吸积加速，重生变成毫秒脉冲星。 但观测上没有直接证据！ 我们只观测到射电毫秒脉冲星；或者只在低质量X射线双星中探测到X射线毫秒脉冲星，无射电脉冲。 两者之间是否有联系？ 年轻脉冲星 毫秒脉冲星

2013年3月，欧洲硬X射线望远镜INTEGRAL发现一个爆发源IGR J18245-2452，后来被证认是球状星团M28中低质量X射线双星，存在一颗X射线毫秒脉冲星。 有趣的是发现它与2006年被美国Green Bank radio telescope (GBT)望远镜发现的一颗射电脉冲星PSR J1824–2452I应该是同一颗脉冲星。 IGR J18245–2452 PSR J1824–2452I Spin period (ms) 3.931852641(2) 3.93185(1) Spin period derivative < 2 x 10-17 Orbital period (hr) 11.025781(2) 11.0258(2) Projected semi-major axis (lt-s) 0.76591(1) 0.7658(1) Pulsar mass function (Msun) 2.2831(1) x10-3 2.282(1) x10-3

2013年4月，它处在X射线爆发期，显示为LMXB中的吸积X射线毫秒脉冲星，无射电脉冲辐射； 2006年 X射线图像 Chandra 2013年4月，它处在X射线爆发期，显示为LMXB中的吸积X射线毫秒脉冲星，无射电脉冲辐射； 2006年，它显示为射电毫秒脉冲星，应处在X射线宁静态。 2013年5月，在X射线爆发峰值后5周， IGR J18245-2452再次变成一颗射电脉冲星！(Parkes, GBT观测) IGR J18245–2452/PSR J1824–2452I让我们第一次看到射电(自转)和X射线(吸积)毫秒脉冲星之间的快速转换；直接证据支持射电毫秒脉冲星通过LMXB重生过程起源的物理图像。

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