脉冲星圆偏振辐射的研究

In this project, we will systematically study the observation properties of pulsar circular polarization. It is observed that there are many interesting properties for the circular polarization in individual pulses and integrated mean profiles, which is highly related with the total intensity, linear polarization and the position angle profiles. Pulsar circular polarization may be intrinsic to the natural emission mechanism, can could also develop as a propagation effect in pulsar magnetosphere. However, It is very hard to explain most of the observation phenomenon quantitatively. We try to understand pulsar circular polarization from two sides. Firstly, we discuss the origin of CP theoretically, including the natural mechanism and propagation effects. Using the numerical simulations, we can calculate the radiation emission and transfer in magnetosphere, which is very hard to understand analytically. Secondly, for some special CP observation fact, we will compare it with all possible origins, constrain the mechanisms and the magnetosphere plasma properties inversely.

本课题的目标是系统的研究脉冲星圆偏振的观测现象及经验特性。观测发现脉冲星单脉冲圆偏振以及积分得到的平均圆偏振轮廓有很多十分有趣的特性，与脉冲星的线偏振轮廓、线偏振位置角以及总强度都有着千丝万缕的联系。脉冲星的圆偏振与辐射机制，辐射几何以及磁层中的传播效应密切相关。但是目前对很多圆偏振观测特性都没有很肯定的解释，大多数理解都只停留在定性和半定量的描述阶段。我们计划从两个方面研究脉冲星圆偏振辐射。首先是从理论方面探讨圆偏振的起因，包括本征辐射机制以及传播效应的影响，充分利用数值模拟计算方法的优势，研究以前用解析方法难以解决的辐射和传播过程。其次对具体的一些特殊圆偏振观测现象，我们将观测事实与所有可能的产生途径进行详细比对，从而限制其产生原因，并可以用此来反演脉冲星磁层特性。该项目的研究可以大大加深对脉冲星圆偏振各种特性的理解，并可能限制脉冲星磁层内部等离子体特性以及辐射几何。

脉冲星偏振观测发现很多有趣的线偏振和圆偏振现象和特性，这些偏振现象与辐射机制、辐射几何以及磁层等离子体中的传播效应密切相关。但是目前对很多线偏振和圆偏振观测特性都没有很肯定的解释，大多数理解都只停留在定性和半定量的描述阶段。本研究项目基本按照原来的计划进行，从理论和观测方面对脉冲星圆偏振和线偏振进行了详细的研究，取得了一批成果，完成了预定的目标。理论方面，我们系统地研究了曲率辐射机制下偏振辐射在磁层相对论等离子体中的产生和传播。利用理论分析和模拟计算，在不同等离子体参数模型和脉冲星几何模型下可以得到各种不同类型的线偏振和圆偏振轮廓，可以很好的解释脉冲星偏振辐射中正交模式现象、线偏振比例随频率的变化趋势、高偏振成分特性等一系列脉冲星偏振观测现象。观测方面，我们在光学波段利用Subaru 8.2米望远镜对磁星4U 0142+61进行了偏振观测，发现这颗磁星的线偏振度低到小于5%，考虑磁星的光学辐射模型，我们讨论了观测结果对模型的限制。在射电波段我们依托自己搭建的佳木斯66米天线脉冲星观测平台对大量脉冲星进行了长时间观测。由于佳木斯脉冲星观测平台还不具备偏振观测能力，因此射电偏振观测研究进行的较少，主要是研究脉冲星单脉冲行为、平均轮廓特性、模式变化和消零现象、脉冲到达时间等等。由于处理数据需要时间，目前只发表了对脉冲星B0919+06的反常辐射研究，后续的观测研究成果也将很快发表。新的具备偏振观测能力的数据后端即将完成，之后将可以进行偏振观测。利用本项目的支持，我们还扩展研究了轴子光子振荡在宇宙磁场中的传播，与脉冲星偏振辐射的理论研究方法是类似的，都是偏振在磁场中的传播问题。该研究表明，简化的离散磁场模型在用于估计光子轴子转化率时可能存在很大的不足，在更加接近真实的连续随机磁场模型下，转化率比以前的估计要大多的。该项研究很可能改变了以往大多数利用光子轴子振荡现象限制轴子参数的结果，对于可能的暗物质粒子轴子的研究可能具有重大的意义。