Fermi伽玛射线脉冲星的高能辐射特性研究

Recently, more than a hundred of pulsars (called as Fermi gamma-ray pulsars) have been detected to emit gamma-rays by the Fermi Gamma Ray Space Telescope. These observations provide useful information for us to study particle acceleration and radiation in pulsar’s magnetosphere. In this project, based on the observed properties of pulsars high-energy radiation, we will study the characteristics of acceleration zones and the emission mechanisms of high-energy gamma-rays by detailed numerical simulation in the frame of three-dimensional outer gap model. The model will be used to reproduce the high-energy gamma-rays theoretically and explain observed properties of pulsars high-energy radiation. At the same time, we will also carry out the research on the three-dimensional structure of pulsar magnetosphere in this project. We will detailed study the structure of pulsar magnetosphere on the basis of magnetic field with a current-induced perturbation, and analysis the impact of the structure on the high-energy radiation processes.

目前，Fermi空间望远镜已经观测到一百多颗脉冲星发射伽玛射线辐射（称为Fermi伽玛射线脉冲星），丰富的观测为人们提供了研究脉冲星磁层中粒子加速和辐射的有用信息。结合的脉冲星高能辐射观测特性，本项目将基于脉冲星三维外间隙模型，通过数值模拟详细研究粒子加速区性质、高能伽玛射线辐射机制，利用理论模型重建脉冲星高能辐射过程，解释脉冲星高能辐射观测特征；同时，还将开展对脉冲星三维磁层结构的研究，详细研究磁层中电流感生的扰动磁场及其对三维磁层结构的贡献，并进一步分析磁层结构对脉冲星高能辐射的影响。

脉冲星的高能辐射是目前天体物理学和天文学的热点研究领域。目前，Fermi空间望远镜已经观测到超过两百颗脉冲星发射的伽玛射线辐射，本项目基于脉冲星三维外间隙模型，对脉冲星伽玛射线辐射从以下三个方面展开研究：. 一、构建了脉冲星三维加速区模型。基于外间隙模型，建立了脉冲星伽玛射线发射的图像，在理论上解释了目前脉冲星的高能伽玛射线辐射特征，包括脉冲星的脉冲轮廓及相位分离辐射能谱，并且能给出可由观测检验的预期结果。本项目构建的辐射模型具有以下三个方面的创新性：（1）详细研究了不同类型的脉冲星加速区厚度；（2）详细研究了加速区内加速电场及电子能量在垂直于加速区磁场方向上的分布；（3）详细研究了加速区内磁场曲率的变化及其对伽玛辐射的影响。. 二、详细研究了脉冲星伽玛射线的辐射机制与多波段脉冲轮廓特性。针对观测上获得的脉冲星轮廓特征，利用建立的脉冲星伽玛射线辐射模型进行理论解释，包括脉冲星脉冲轮廓的理论重建和伽玛射线峰值滞后、相位对齐等新现象的理论解释；详细计算各个能量段脉冲轮廓随能量变化的特征，研究了相位分离能谱随旋转相位变化的演化特征，我们的理论模型可更好的解释脉冲星轮廓的多波段观测特征。. 三、构建更为合理的磁层三维结构模型。本项目详细研究了磁层中电流感生的扰动磁场及其对三维磁层结构的影响，详细计算考虑了电流感生扰动磁场下的脉冲星三维磁场结构，建立了一个物理上更为合理的三维磁层模型，并将此模型运用于脉冲星的发射模式和脉冲轮廓研究。. 本项目的研究建立了脉冲星三维磁层结构及伽玛射线辐射模型，并利用该模型对脉冲星伽玛射线辐射进行了解释，特别是对Fermi空间望远镜观测到的伽玛射线辐射新特征进行的理论重建，取得较好结果。本项目所建立理论模型能够更好的对观测进行解释，项目研究所得到的结果对探究脉冲星三维磁层结构、加速区位置及结构、伽玛射线辐射特性及其物理机制等重要科学问题提供了理论依据。