脉冲星多波段辐射及脉冲轮廓内禀变化的研究

Pulsars are compact objects with extremely stable rotation, which can generate multi-wavelength pulsed emission. It lacks of a clear and self-consistent model to explain the radiation mechanism of multi-wavelength pulsed emission. With the development of the observation technology and new telescopes being gone into service, a lot of high-quality multi-wavelength observation data are coming, especially Fermi telescope discovered more gamma-ray pulsars, which supply us good opportunities and challenges to study high-energy emission from pulsars. We will select a few representative young and millisecond pulsars, study their multi-wavelength pulse profiles, phase-resolved spectra and phase-averaged spectrum based on the annular gap model to compare with the observations. We attempt to solve the basic problems of radio and high-energy emission pulsed emission, for example, location of emission regions, generation mechanism and dynamics of particles and radiation mechanism. We will further explore the intrinsic physical reasons of timing noise to lay the foundation for the complete and reliable timing model. In addition, we will use the applied high-precision astrometric observation of some millisecond pulsars to obtain the important dynamic parameters, and study the problems of their birth places and evolution.It will perfect pulsar emission models and contain great values of application for pulsar navigation，time-scale of pulsar.

脉冲星的自转极其稳定，可以产生多波段的脉冲辐射，然而尚缺乏清晰的、自洽的模型来解释多波段脉冲辐射机制。随着观测技术的不断发展和新型望远镜的投入使用，涌现出大量高质量的多波段观测数据，特别是费米望远镜发现了更多的伽玛射线脉冲星，这为研究脉冲星的高能辐射提供了难得的机遇和挑战。本项目将选取一组有代表性的年轻脉冲星和毫秒脉冲星，对其多波段脉冲轮廓、相位分离谱和相位平均谱进行深入研究并与观测相比较，力求解决射电和高能等多波段脉冲辐射的基本问题，如辐射区位置、粒子产生机制、动力学以及辐射机制等。本课题还将探索射电脉冲脉冲轮廓内禀变化（即测时噪声）产生的物理原因，为建立完备可靠的测时模型奠定基础。另外，申请人将利用课题组申请观测的毫秒脉冲星高精度天体测量数据，获得其动力学等参数，研究其起源地及演化等问题。本项目的顺利开展，对完善脉冲星辐射模型及测时应用（如脉冲星导航、脉冲星钟等）有重大的意义。

本项目利用脉冲星多波段观测数据，开展了多波段辐射机制、毫秒脉冲星VLBI天体测量和脉冲星脉冲轮廓内禀变化等三方面工作：. （一）多波段辐射机制，此方面发表了两个研究工作：（1）毫秒脉冲星PSR B1821-24多波段脉冲辐射的研究。利用三维“环间隙”模型以及Fermi伽玛射线卫星、RXTE的X射线和射电望远镜等数据，很好地模拟了该星在这三个波段的脉冲轮廓，揭示了这三个波段的脉冲辐射在脉冲星磁层中的辐射位置，该论文于2015年发表于ApJ上。（2）PSR B1133+16多波段射电辐射机制。经研究发现hyperbolic secant函数可比传统的高斯和Von Mises等函数更好的拟合此脉冲星的射电轮廓。研究发现其射电辐射更倾向于来自环间隙区域而非核间隙区。此工作是指导博士生完成的，已于2016年发表在ApJ上。. （二）毫秒脉冲星VLBI天体测量：精确地测定天体的距离和运动速度一直是天文学的难点。利用新的欧洲VLBI网（EVN）为时三年、五个历元的观测数据，经数据处理后，第一次得到了这颗毫秒脉冲星的高精确度的距离和自行等参数；并准确计算出了该星二维的横向速度和伽玛射线波段的光度，从而证认其为伽玛射线辐射功率最强的毫秒脉冲星；该研究结果排除了国际上两个最流行的脉冲星辐射模型——outer gap模型和slot gap模型。该论文于2014年发表于ApJ Letter上。. （三）脉冲轮廓内禀变化：我们处理了Crab脉冲星RXTE卫星长达11年的观测数据，并得到了2-6 keV（28组）、6-15 keV（28组）、15-60 keV（15组）等三个能段的多组脉冲轮廓，经拟合脉冲轮廓的双峰，发现Crab脉冲星双峰间距随时间的长期演化，这也是内禀计时噪声的主要来源之一。为了解释内禀变化，我们用环间隙模型对各能段各组轮廓进行了理论上的模拟，发现了辐射区某特征高度随时间的变化对双峰间隔，并得到了双峰特征高度随时间变化的拟合公式。为了进一步验证这两个公式的合理性，我们计划利用新发射的脉冲星试验卫星的数据来验证。这个工作乃为此项目的最亮点的核心工作计划于今年发表，这为将来去除内禀噪声，提高计时精度，脉冲星导航的关键环节——高精度计时模型奠定了扎实基础。