基于HXMT观测研究中子星的磁场与结构

This project exploits the wide-band 1-150keV data of China space telescope HXMT to detect the energy spectrum and timing, we study the magnetic field structure of neutron stars. For the accretion of neutron star in high-mass X-ray binary, its magnetic field is directly measured by the cyclotron resonance scattering absorption feature, and the structure of the magnetic polar radiation zone is discussed. The statistical results of directly measured magnetic fields are compared with the dipole magnetic field indirectly estimated by the radio pulsar, while the evolution of the neutron star magnetic field is investigated. For the millisecond magnitude oscillation of low-mass X-ray neutron star that shows the type I X-ray burst, we explore the QPO signal of the neutron star spin, as well as the accretion material induced thermonuclear shock, and the relationship between the burst energy and time, and speculate the structure of the local magnetic field of neutron star. For Crab pulsar, the changes of high-energy radiation during the emission of radio giant pulse are studied. The multi-band joint observation of HXMT high energy and radio emission is carried out to investigate the microstructure and radiation mechanism of the pulsar radiation area.

本项目使用慧眼HXMT的宽波段1-250keV数据探测中子星的能谱与时变，研究中子星的磁场结构。针对高质量X射线双星的吸积中子星，利用回旋共振散射吸收特征直接测量中子星磁场，探讨极冠辐射区的磁场结构，其磁场统计结果与射电脉冲星间接测量得到的偶极磁场进行对比，研究两者的关系并预测中子星的磁场演化。针对低质量X射线中子星I型暴的毫秒量级震荡，我们探索热核暴震的中子星自旋和吸积物质的QPO信号，以及爆发能量和时间的关系，推测中子星局部磁场的结构。其次，针对Crab脉冲星，研究射电巨脉冲发射时高能辐射的变化，进行HXMT高能与射电的多波段联合观测，探讨脉冲星辐射区的微结构和辐射机制。

本项目的主要研究内容围绕着中子星磁场的前沿课题，重点研究中子星的磁场演化及结构问题。在考虑粒子外流情况下，我们研究了脉冲星磁场和周期的演化问题，并给出解析解，给出如下所述的相关结果：不同于磁偶极模型（MDR）模型给出的恒定特征磁场，Crab脉冲星的特征磁场在50kyr内增加了一百倍，其中我们假设其真实磁场不变；自旋制动指数在长期演化中将从3变到1，但现阶段（根据45年的观测数据）从2.51下降到2.50，其中粒子流贡献了大约25%的总自旋能量损失率；得到Crab脉冲星特征年龄的最大值为∼10kyr，这意味着特征年龄并不总是真实年龄的良好指标。在磁场分布方面，我们分析了正常脉冲星的磁场数据，以及年轻遗迹脉冲星的磁场周期分布，讨论了中子星诞生途径的多样性。因此我们提出，在中子星形成过程中可能存在两种类型的超新星（SNe）爆发，对应于它们的SNR寿命，这可以简略地归因于低能和高能SNe。我们还深入研究了脉冲星准周期振荡（QPO）现象，使用交叉相关等方法分析双吸积模式下的QPO特征，并基于千赫准周期振荡（kHz QPO）的开普勒运动假设和中子星磁偶极场假设，分析了Z源CygX-2、GX5-1、GX17+2和ScoX-1的X射线色度图轨迹和吸积盘结构间关系。在超亮X射线源（PULX）方面，我们分析了磁星双星系统的演化问题，并指出一些确认的极亮X射线脉冲星可能是吸积磁星，这些星体将有助于研究磁星的演化。最后我们从统计学和光度分布的角度分析了快速射电暴与磁星的关系，研究发现重复快速射电暴和非重复快速射电暴具有不同的统计分布，因此他们可能起源自不同天体，或者两者每经历了不同的演化阶段或物理过程；我们还进一步分析了由磁场供能的FRB光度分布，结果是产生FRB现象需要超强磁场，这进一步支持了FRB的磁星起源模型。