磁星爆发分布的统计分析和可能的物理机制

Two of the most important problems about magnetar bursts are the physical mechanism and the statistical models. Although the observations of bursts for a magnetar support the power-law distribution, there are great differences among power-law exponents of different observations. The main reason comes from observational data analysis. Stellar quake is popular model to explain power law of the magnetar bursts. However, it is difficult to explain the bursts of magnetar with low magnetic fields. This project investigates a possible mechanism for magnetar bursts: Due to the decay of magnetic field, the domain wall in the solid crust of neutron star undergoes depinning transition. This phase transition may be a trigger mechanism of magnetar bursts. Theoretically, we quantify the surface tension of domain wall and the quenched noise of motion which is affected by the disorder of crystal lattice such as impurity etc. Then, by the methods of analysis and numerical simulation, we calculate the scaling exponents of depinning transition. Observationally, we collect the observational data of magnetar bursts, and calculate the power-law exponents of the bursts by developing software for the statistical analysis of power-law random distribution. Finally, we can compare theoretical and observational results, and improve our physical model.

磁星爆发的统计模型和背后的物理机制是当前致密天体研究的热点难点问题之一。观测结果虽然支持爆发观测量分布的幂率模型，但公布的幂率指数存在较大的差异，反应了观测数据分析方法上的不精确和不完善。幂率分布背后的星震（stellar quake）模型是可能的相变机制之一，但低磁场磁星的磁场难以破坏星体内部的固体结构。本申请项目提出了另一种相变模型：外力驱动下相分界面在非均匀介质中运动的去钉扎（depinning）相变，试图建立中子星壳层内部磁畴壁（由电子气体的反磁相变生成）的随机过程与磁星爆发的关联。在理论上，计划定量研究磁畴壁的表面张力、阻尼磁畴壁运动的粹取噪声(由晶体结构的杂质等缺陷引起)，用解析或数值方法确定磁畴壁去钉扎相变的标度指数。在对磁星爆发观测数据的处理上，应用或开发特别针对于幂率型随机分析的软件，对参数进行估计并检验分布的真实性，并将观测结果与理论进行比较。

中子星是宇宙中特殊的天体，具有丰富的观测现象，其关联的物理背景是众多物理理论的天然实验室。 中子星的巨大转动惯量使它成为稳定的标准转子，唯有电磁、引力辐射或粒子星风等稍稍使其转动改变，可把这种守时性当作标准时钟使用，其精度可以媲美或超出原子钟。精确的计时测量可以洞察中子星内部的物质成分和结构以及磁场强度及分布，研究星际介质及双星系统的形成和演化，甚至有望直接探测引力波。计时精度受多方面因素制约，特别是各种时标的电磁辐射过程。观测结果表明，中子星辐射时标是多种多样的，包括长时标的磁偶辐射、中长时标的间歇辐射和短时标的爆发过程，爆发源具体代表有磁星、射电短现源和巨射电脉冲源（FRB）等。但是，这些辐射过程背后的物理机制还存在众多争议，还没有一个完善的理论统一解释这些现象，本项目试图解决这些问题。. 在本项研究中，我们重点研究了中子星内部磁化及演化过程，并以此为基础统一解释脉冲星长时标计时噪声和中子星短时标的爆发机制。在中子星天文学界，内部磁场的演化理论只关注了传导电流诱导的磁场，这些理论建立在带电粒子相对中性（中子）流体运动的宏观效应上，没有充分考虑电子朗道量子化效应。我们的研究发现，朗道量子化引起的de Haas-van Alphen 磁振荡效应可以产生近万分之一的相对磁场涨落，对精确的计时观测来说，这种磁振荡的确是不能忽略的因素。用此理论，我们解释了脉冲星红噪声的产生机制，并与观测进行了比较，结果符合的较好。若考虑局域磁化态之间的相互作用,中子星内部会出现类似铁磁体的磁畴结构,演化磁场驱动下的磁畴壁在离散阻尼作用下,会发生实验室中的Barkhausen效应（动力学相变），可以解释中子星、磁星、FRB等的短暂辐射行为。