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脉冲星风星云:有关脉冲星及其他
与传统意义上由气体和尘埃组成的星云不同,弥漫在年轻脉冲星周围的脉冲星风星云(Pulsar Wind Nebula)的关键组分是高能粒子,同时这类天体也是产生同步加速辐射的主要区域,在高能波段的外观呈现圆形加喷流的形态。位于星云中心的脉冲星正是星云物质的来源,星风的动力则来自脉冲星的自转减慢,而脉冲星磁场加速粒子的过程造就了星云的双极外观。
概念乍听起来可能有点陌生,不妨先看一张图,再看下文:
图片提供:NASA/CXC/SAO
这是钱德拉X射线天文台所见的蟹状星云,其中内缘的一道环状结构直径约为1光年。脉冲星的高速自转和强磁场可以产生极高的电压,进而生成大量的正负电子对。脉冲星赤道附近的的粒子会因电磁离心力的作用以接近光速的速度甩出,并在脉冲星周围堆积形成磁化粒子云;而两极的粒子会被磁场会聚,产生喷流。大致图景如此,不过当前对上述脉冲星星风的详细成因了解得并不透彻。
同样与弥漫星云或行星状星云相异的是辐射机制。脉冲星风星云的辐射来自相对论性带电粒子在磁场中螺旋运动产生的同步加速辐射,辐射谱为非热幂律谱,一般在射电波段的形状较平坦,在高能波段由于辐射能量的损失而较陡。至于上图中的亮度不均匀,有说法认为是和磁场强度不均匀导致辐射强度不同有关,也可能和高能粒子风的激波相联系。近来钱德拉和哈勃太空望远镜的观测还发现了蟹状星云的亮度变化,这似乎与脉冲星的自转突变(glitch)相联系。
2000年至2001年间蟹状星云的亮度变化(图片提供:上:NASA/CXC;下:STScI)
既然脉冲星是大质量恒星经超新星爆发后遗留的残骸,脉冲星风星云自然与超新星遗迹摆脱不了干系。超新星遗迹是超新星爆发的抛出物质与星际介质作用的结果,而有数值模拟工作表明,脉冲星产生的相对论性星风在超新星抛出物内吹出了空洞。星风顶的终止激波是粒子加速的地方,空洞的大小则受到抛出物同星际介质作用产生的反向激波的约束。这样的过程显然与脉冲星风星云的环状结构相关。
超新星爆发的计算机模拟,图中黑色部分即是脉冲星风所致的空洞。由于计算选取的星际介质密度的不对称,导致了图中上下区域的不一致。(图片来源:Blondin et al, 2001
处在不同演化阶段的超新星遗迹中的脉冲星风星云也有着不同的行为。如果超新星遗迹处在自由膨胀相,脉冲星风星云是以超音速膨胀的,并由此产生了激波。与反向激波的作用发生在随后的绝热相中。具体推导可参考E. van der Swaluw、A. Achterberg、Y. A. Gallant和G. Tóth合写的Pulsar Wind Nebulae in Supernova Remnants
因为超新星爆发的各向异性特征,脉冲星形成之初受到了额外力的作用(所谓的“kick”),使其获得了在宇宙中的自行。因此,很多脉冲星风星云外观并不严格对称,而是具有彗状特征。
结合脉冲星风星云的形态和亮度特征,可以构建出脉冲星运动状况及周边环境的模型,也可以了解电磁转化成辐射的过程。如下图左侧为船帆座超新星遗迹的X射线图象,右侧是船帆座脉冲星的理论模型,其中两道亮弧是赤道星风的表征,Ω轴为脉冲星自转轴,vp轴表示自行方向,a、b轴是亮弧投影椭圆的长短轴。
图片提供:左:NASA/CXC;右:D.Helfand et al. 2001, Astrophys.J
由于脉冲星风星云富含高能粒子,高能X射线和伽玛射线观测自然是意义重大。除钱德拉等空间望远镜外,HESS这样的切伦科夫望远镜也作过相关研究。计划在今年发射的高能伽玛射线卫星GLAST也将脉冲星风星云归入主要观测对象之列。
需要说明的是,实心(F)型超新星遗迹(如蟹状星云)本身即可以视作脉冲星风星云,理由是该类遗迹的成因与超新星爆发过程本身基本无关,且演化过程受脉冲星的支配。事实上脉冲星风星云的研究也是从对实心型超新星遗迹的研究开始的。而混合(C)型遗迹可以视作是由爆发产生的遗迹外加内里的脉冲星风星云组成。
实心型超新星遗迹蟹状星云,中央的紫色部分即是文章开头给出的X射线图象。(图片提供:X射线:NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.;可见光:NASA/ESA/ASU/J.Hester & A.Loll;红外:NASA/JPL-Caltech/Univ. Minn./R.Gehrz)
较著名的脉冲星风星云除了上面提到的位于蟹状星云和船帆座超新星遗迹中的两个,还有位于以及G54.01+0.3等遗迹中的几个。
与超新星遗迹的Green表类似,也有人编撰了脉冲星风星云的参数表,如Kaspi, Roberts & Harding, 2004中提供的表格,另外还有Mallory S.E. Roberts等人编制的更详尽的脉冲星风星云表
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