脉冲星射电辐射束新模型的理论与观测研究

There have been long-term debates on the structure of pulsar radio beam. The current two major models - conal and patchy beam models are facing increasing observational challenges. We proposed a fan beam model, which can explain some phenomena that are difficult to explain by other models. This project is endeavored to test the model observationally，to improve it and to develop new interpretations for diverse observational properties. Using the empirical relationships of this model, we will revisit the capability of pulsar detection for FAST and SKA. We plan to develop a new method of pulse profile decomposition, with which to study the configuration of flux tubes and the difference between their emission spetra. We will make more comprehensive classification for the observational features through exploring the CSIRO and EPN pulsar databases. This study will be useful for other relavant studies, e.g. pulsar population analysis, propagation effects and polarization.

脉冲星射电辐射束的结构长期存在争议,现在流行的两种模型—核双锥模型和斑块模型所面临的观测挑战日益增多。我们提出了一种新的扇形束模型，前期工作表明该模型能解释其他两种模型解释不了的观测现象。本项目将对其做进一步观测检验，完善模型内容，尝试从新的角度解释多种射电观测现象；并利用模型中脉冲宽度、辐射强度的经验关系，重新研究FAST和SKA等天文设备对脉冲星的探测能力。本项目将发展更加物理的轮廓成分分离方法,研究辐射区磁流管布局及其辐射谱特征的差异; 将系统梳理CSIRO、EPN等数据库和文献中的轮廓资料，得到对观测特征更为全面的认识。本项目将为脉冲星其他方面的研究，如族群分析、传播效应与偏振等提供新的视角。

有证据表明扇形束模型可能是更好的描述射电辐射束结构的模型，但还需要更深入的观测检验，并探索其在解释各种观测现象中的可能。本项目主要从观测检验和模型应用两个方面来对扇形束模型开展研究，取得了以下几方面进展。（1）发展了拟合线偏振位置角的MCMC方法，利用EPN偏振轮廓数据库中的数据，得到了123颗脉冲星的磁倾角和碰撞角，将此前用于检验模型的样本数扩大了一倍。统计检验结果仍有力地支持扇形束模型，而不支持锥辐射束模型。（2）利用国外的历史存档或发表的数据，对两颗进动脉冲星PSR J1141-6545和PSR J1906+0746的辐射束特征做了深入的研究，其中PSR J1906+0746的辐射束整体上与扇形束模型吻合，但中间脉冲的宽度和强度随碰撞角的变化关系与2014年本课题组提出的扇形束模型不吻合，同时两极的辐射束也显示出不对称的情况，这对已有的辐射模型提出了新问题。（3）我们首次尝试将扇形束模型替代了锥模型，应用于脉冲星族群研究，对主要的开源族群分析软件PsrPopPy进行了改进。我们估算了FAST巡天所能观测到的脉冲星数量，结果显示在相同的巡天参数条件下，扇形束模型预言的探测数量要比锥模型预言的低6%左右。（4）年轻脉冲星PSR J0614+2229是少数模式变换时发生相位偏移的脉冲星之一。我们利用Parkes射电天文台三个波段上的偏振观测数据，对该星在模式变换时的谱、脉冲强度随相位的依赖性、相位窗口等性质的差异性进行了研究。在扇形束模型框架下，这些特征的差异可以解释为两种模式下辐射束中的谱分布呈现不同的状态。该研究结果被Phys Org科技新闻网站报导。（5）此外，我们还对扇形束模型下活跃磁流管经度范围的统计分布、脉冲窗口之外的弱脉冲成分搜寻、脉冲星多频特征的参数化描述、模式变换、消零、星际闪烁等问题进行了研究，并得到了阶段性结果。本项目发表论文10篇(含已接收1篇)，其中SCI三篇。