有厚环形结构的脉冲星风云

(用什么样的文章开始新的一周好呢?挑来挑去,选中了这篇简短的小文章,关于脉冲星风云的结构的讨论,简单的说,超新星爆发后形成脉冲星和超新星遗迹的过程总体上有很多相似的地方,但是在观测到的脉冲星风云周围却可以看到非常明显的结构差异,本文讨论的正是何种机制,造成了这样的现象;不过我们的重点放在对脉冲星风云基础知识介绍上,文章具体讨论,受限于我的知识范围,只能简短的总结一下)

文章:Pulsar Wind Nebulae with Thick Toroidal Structure

  • 作者:Roger A. Chevalier, Stephen P. Reynolds
  • 论文索引:astro-ph/1109.1752
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识

什么是脉冲星风云

脉冲星风云 (Pulsar Wind Nebula:PWN),很多时候也被称为 “plerion”, 是一种名字奇怪,但是大家并不陌生的天体,著名的1054超新星遗迹,Messier编号1的蟹状星云其实就是脉冲星风云的原型。可以很自然的想见,脉冲星风云的结构来自超新星爆发过程,快速自转,强磁场的脉冲星和周围星际介质环境的共同作用,而且有证据显示,脉冲星风云的存在时间可以比超新星遗迹还要长,在某些超新星遗迹已经消散了的脉冲星周围还是看到了PWN存在的证据,证明在暴发后的演化中,脉冲星的高能辐射起了重要的作用,由被脉冲星加速到相对论速度的带电粒子组成的脉冲星风进入星际介质后,会形成一个静止的激波,在那里粒子会被减速到亚相对论速度;观测上,PWN的辐射也主要以射电和X-ray波段的同步加速辐射占主导。

如果具体看一下脉冲星风云的辐射特征的话,最明显的就是非常宽的非热辐射 (同步加速辐射) 能谱,从射电波段到X-ray甚至\gamma-ray波段 (已经有至少15个PWN在TeV高能波段被观测到);在射电波段,PWN以平坦的能谱轮廓为最主要的特征,到了X-ray波段,能谱轮廓因为更快的同步加速辐射损失变陡,同时X-ray观测下的PWN的尺度也比射电波段下的要小了不少,这也是由于同步加速辐射寿命在高能段的缩短造成的;到了\gamma-ray波段,能谱轮廓会进一步变陡。关于脉冲星风云的具体性质和形成机制,推荐大家阅读Astrobites上的介绍文章,出自行家之手,自然比我这个门外汉写的好的多了


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Fig.1: 著名的Vela超新星遗迹中的脉冲星风云结构,也是本文的重点研究对象

脉冲星风云按照其结构基本可以分成三种类型,1. 以蟹状星云为代表的,中心靠近脉冲星处有一个小的环状结构,但更明显的是大尺度的基本对称的结构,其外边界由脉冲星风和已经进入自由膨胀阶段的超新星暴发遗迹的相互作用形成;2. 以Vela X为代表的,这类结构被认为是已经和超新星遗迹相互作用后的反向激波再次到达脉冲星风云后形成的;3. 第三类脉冲星风云的明显特征是有一条长长的“尾巴”,比如著名的“Mouse”脉冲星风云,这是脉冲星在ISM中告诉移动的证据。而本文的主要目的就是提出了一种新的认识脉冲星风云结构的角度,从围绕着脉冲星的环状辐射区的结构入手。在介绍本文的结果之前,首先介绍一下著名的Vela超新星遗迹和脉冲星吧

Vela 脉冲星风云

Vela超新星遗迹位于南天的船帆座,是离我们最近也是最壮观的一个超新星遗迹之一,其中的超新星暴发被估计发生在12000年前左右,上个世纪60年代末随着脉冲星研究的升温,悉尼大学的天文学家们也找到了Vela中的脉冲星,为超新星暴发和脉冲星形成的联系提供了坚实的证据。Vela中的脉冲星的正式名称是PSR J0835-4510, 不过也经常被称为Vela X (注意和Vela X-1不是一个天体,后者是一个大质量X射线双星)。由于距离比较近,在观测上,Vela受到了很大的关注,中心脉冲星的自转周期为89ms,在发现的时候,是已知的周期最短的脉冲星;此外,在\gamma射线波段的天空中,Vela脉冲星还是最亮的稳定\gamma射线源之一。


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Fig.2: Vela X脉冲星风云的5GHz射电观测图像,图中黑色实现指示了弓激波的不连续的位置,黑色的虚线指示的射电观测估计出的磁场的方向;图中红色的等值线展示的X-ray观测的结果;图中十字标注出了脉冲星所在位置,上方的箭头给出了作者认为的轻微超声速的flow的方向。

主要结论和讨论

本文的主要部分是结合3个PWN进行的简短的物理图像的讨论,其中主要以Vela X为主。在文中,作者把有明显的来自环形结构的同步辐射的PWN单独拿出来讨论,这类PWN和蟹状星云等其他比较年轻的PWN的区别主要体现在,后者有很多纤维状的,混乱的结构;作者通过对被很仔细的观测过的Vela的多波段数据的分析提出,其PWN的结构,可以用一个以稍微超声速的速度向中心移动的flow与新近产生的脉冲星风的相互作用来解决,而这样的一种靠近中心,向内的flow可以在超新星遗迹的反向激波已经到达PWN区域的一个短暂时间内出现。

以Vela为例,虽然这个超新星遗迹的形态显示超新星暴发发生在很久以前,但是在比较临近的时标内,中心的脉冲星周围却有一个相对年轻的PWN,而且,比较深的射电观测揭示出了一个弓状激波的结构,与脉冲星相对于星际介质的速度方向相符 (见上图)。在图中还可以看到,沿左上到右下的方向,来自PWN的辐射比较强,这意味着脉冲星自转的赤道方向和这个方向是重合的。X-ray的观测同样显示出了对这个方向的”偏爱”,不过也可以注意到,在X-ray辐射的两端出现了一定的拐折的迹象,作者认为这也是在脉冲星风中存在一个朝向拐折方向的流动介质的证据 (astroph版本中的图分辨率被压缩了,X-ray等值线图有些不清晰,我个人没太好的理解作者说的“flop to the S”的明确意思,但还是按照文中的介绍说明,请大家注意)

考虑到Vela几乎位于一个很大的超新星遗迹的中心区域,出现上图中虽然弱,但是还是很明显的bow shock是一个比较令人惊讶的结果,因为按照一般的理解,这个现象意味着脉冲星在星际介质中的超声速运动,这个解释对Vela是不合适的,作者根据一系列的估计,认为,用刚刚经过Vela脉冲星风云的反向激波波前引起的稍稍超声速的flow可以很自然的解释这个现象,并且估计出了这个flow的Mach数 (马赫数,不是舒马赫)在1.5左右。此外,还有一个证据就是Vela脉冲星的运动方向天文学家已经基本了解,和这里提到的Bow shock指示的方向是不一致的。

结合上面的分析以及其他各种证据,作者提出了一个模型,即脉冲星风云由一个比较厚,有着相同辐射效率的环状结构主导,其中有着很强的磁场,从射电辐射的强烈偏振特征可以看出这一点。通过定义不同的环的内半径,外半径和张角可以尝试着模拟出脉冲星风云对应的结构特征,并且可以通过MHD数值模拟的方式展现出来(见下图,不过要旋转一定角度才能看到和图.2的相似之处)。此外,从脉冲星的理论上看,脉冲星风的能量释放应该非常偏向脉冲星自转的赤道方向,这样的理论可以很自然的解释在脉冲星周围看到的环状结构。不过,虽然Vela和其他两个PWN已经展示出了这样的环状结构的重要证据,还要注意到在蟹状星云等一些年轻的PWN中,并没有看到这样的结构,取而代之的是很多混乱的纤维状结构 (回想一下蟹状星云的图片你就知道这里说的是什么了)。对于这点,作者提出可以用年轻PWN中,加速膨胀的脉冲星风云物质和外面的超新星暴发抛射物相互作用界面上的Rayleigh-Taylor不稳定性(发生在两种不同密度的流体的交接处)来解释,这样的不稳定性促进了介质的混合和弥散,形成了看到的纤维状结构,

(写在后面:抛开本文的形式和具体结论不谈,我觉得这样的结合物理图像分析观测个案的文章是很有意思而且有帮助的,很多时候,如何把观测数据,尤其是多波段数据和具体的物理解释联系起来并不是一件很容易的事情,即便你面对的是一个单独的观测目标,数据的复杂性和众多的细节可能把你在课本上学到的物理图像淹没其中,如何识别有用的证据,如何讨论和已知图像的符合程度,如何尝试给出自己的解释,都是需要耐心的训练的)


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Fig.3:作者给出的一个这种PWN中有着均匀的辐射系数的环形结构的模拟示例。

延伸阅读:

  • 1. Recent Progress in Studies of Pulsar Wind Nebulae
  • 2. 另一个在\gamma-ray波段有观测的脉冲星风云的粒子,来自(H.E.S.S观测)
  • 3. 脉冲星风云的理论研究 (很好的报告PPT文件)
  • 4. 观测上已知的脉冲星风云源表
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    2 Replies to “有厚环形结构的脉冲星风云”

    1. Gaoyuan Zhang

      Chromium 13.0.782.218 Ubuntu 10.04

      crab里面的脉冲星的x-ray观测好像和上面vela的图很像呀。
      是不是PWN和超新星遗迹是不同的概念呀
      crab里纤维状的东西应该是超新星遗迹吧。

      我不知道自己是不是乱说阿~~

    2. yimingleon

      Firefox 11.0 Ubuntu;

      “会形成一个静止的激波”似乎不妥,wiki上的原文是creating a standing shock wave,我觉得激波按定义应该就是运动的。standing这里作‘连续’解似乎更恰当

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