|
項目名稱： 脈沖星磁層和輻射的研究
推薦單位： 北京市
項目簡介： 1967年，在無線電波段發現一種具有準確周期脈沖的天體，稱為脈沖星。它是人們極力要尋找的、1932年就在理論上預言的中子星；脈沖星可以作為極端物理條件下（超強磁場、超強引力場等）的試驗室，通過對脈沖雙星的研究，驗證了引力波的存在。這兩項研究分別于1974和1993年獲得諾貝爾物理學獎。
脈沖星研究的核心問題之一是它的輻射機制（輻射區物理狀態、輻射的具體過程等）。輻射應該由接近光速的帶電粒子在磁場中運動產生，這個觀點雖然已被廣泛接受，但是，粒子是如何被加速、而又通過什么物理過程發出輻射的呢？這些問題長期困擾著天體物理界。人們一直以為是粒子沿磁力線的曲率輻射主導了脈沖星粒子加速區的物理過程。在這一框架下形成的理論模型流行了很長時間，但是曲率輻射效率很低，造成理論與觀測的諸多沖突，長期以來又沒有更好的理論模型來取代，制約了脈沖星物理的研究。
本項目 1）在國際上率先詳細研究了強磁場中逆康普頓散射過程，發現它是高能光子產生和高能粒子的能量損失重要機制，而非曲率輻射；2）利用上述理論率先研究了脈沖星極冠區磁層結構、粒子加速和輻射，對標準模型中粒子加速區的物理進行了實質性的修改；3）進一步提出最創新的脈沖星射輻射模型，能夠解釋大量目前無法解釋的觀測事實；4）對脈沖星進行偏振觀測并進行系統分析，得到脈沖星偏振輻射的規律，為理論研究提供基本依據和客觀限制。研究成果是從上世紀80年代開始，歷經老師與多屆研究生共同努力的結果。
我們的研究成果被國際同行證實，并被認為"是脈沖星基本物理過程研究中多年來兩項重要進展之一"，對標準極冠加速模型進行了"實質性的修改"；所提的模型是"最創新"而"有前景的"模型；我們的觀測和分析為一些理論研究提供了基本的前提。申報的論文他人引用180多次，其中SCI他引150余次，包括重要的天文和物理刊物的及兩本教科書的引用和評述。項目組成員，多次應邀在國際會議上作邀請報告。
主要發現點： 一、核心發現點
1．率先詳細研究了強磁場中逆康普頓散射過程,發現它是高能光子產生和高能粒子的能量損失重要機制，而非曲率輻射 (論文1)。 通常情況下，逆康普頓散射是產生高能光子的重要機制。但在強磁場環境下，情況并不清楚。先前國際權威得到的結論是逆康普頓共振散射"可能是不重要的"（Blandford 等1976)。我們詳細計算了強磁場中的逆康普頓散射過程，發現了諧振點附近散射截面可以比通常的湯姆孫散射截面高出幾個數量級，是一種極其有效的輻射機制，也是高能粒子能量損失的重要機制。這一發現后來被國際學者所公認【例 Daugherty & Harding 1989;Lyubarskii & Petrova 2000】。該項研究屬于高能天體物理領域。
2．率先利用逆康普頓散射過程對脈沖星極冠區磁層結構和粒子加速進行研究，發現是它主導加速區形成，而不是早先認為的曲率輻射或其它過程。加速區的高度、加速區的電勢、粒子的能量等均需要重新計算（論文2，3，6，7）。Hibschman & Arons (2001) 認為"25年來標準的極冠區加速模型基本沒有變化。然而，最近有兩項重要的進展" ，其中之一就是"逆康普頓散射是一個重要的、可能占主導地位的高能光子產生機制"。Harding & Muslimov （1998）指出，我們的工作"使得脈沖星極冠區加速的相關物理必須進行實質性的修改"。該項研究屬于高能天體物理領域。
二、其他重要發現點
3．提出和發展新穎的脈沖星射電輻射模型（論文4，8，9，10）。該模型被國際同行認為是"最創新的"【Trimble & Aschwanden 2003，"Astrophysics in 2002"】、"有前景的"、"新穎的輻射機制，能夠給出脈沖星的多輻射束的解釋"【Rankin & Wright 2003，The Astron Astrophys Rev. 長篇綜述】。該項研究屬于射電天文領域。
4．對脈沖星輻射的輪廓和偏振特征進行系統的觀測和分析（論文5，11，12，13，14），為進一步的理論工作提供了基本的觀測依據【Gedalin等2001】。系統地總結了脈沖星特有的圓偏振輻射的規律和脈沖星輻射束的特征，對脈沖星脈沖輪廓進行成分分離，為"構造任何唯象模型提供觀測限制"之一【Karastergiou等 2007】。該項研究屬于射電天文領域。
主要完成人： 喬國俊
1）長期負責和領導脈沖星研究小組的各項工作，提出思想，指導研究生進行強磁場中逆康普頓散射過程的研究（第一發現點，論文1）和脈沖星極冠加速區逆康普頓散射過程的研究(第二發現點，論文2，3，6，7，15)；
2）提出脈沖星射電輻射的逆康普頓模型(第三發現點，論文4，8，9，10)。
3) 參與脈沖星觀測和資料分析,參與脈沖星輻射和偏振規律的總結工作(第四發現點，論文11，13)。
該項研究占本人工作量的60% 。
張冰
1) 利用強磁場中的逆康普頓散射機制，對脈沖星極冠區的加速和輻射過程進行了多方面的研究，對標準的極冠加速模型進行了實質性的修改（第二發現點，論文2，3，6，7，15）;
2）參與脈沖星的射電輻射模型的研究（第三發現點，論文8，9，10）。
1994－1998年11月，在北京大學做研究生和博士后期間，幾乎全部時間從事該項研究。1999－2001年，繼續合作研究。總的說，該項研究中的工作量占本人工作量的70%。
說明：張冰是喬國俊的碩士、博士研究生，第一個博士后也是在北京大學做的。他本人系中國公民，中國國籍。現在在美國內華達大學工作。工作單位所在地，也在美國內華達。由于系統設置，無法錄入，故暫時填寫北京。郵編是：NV89154。
韓金林
1) 參與了脈沖星極冠加速區逆康普頓散射過程的研究(第二發現點，論文2，6);
2) 參與了脈沖星射電輻射模型的研究工作(第三發現點，論文8，9)。
3）對脈沖星進行大量觀測和資料分析,對脈沖星輻射和偏振規律進行了系統總結(第四發現點，論文5，11，12);
該項脈沖星研究占本人工作量的50%。
吳鑫基
1) 參加強磁場中逆康普頓散射過程的研究（第一發現點，論文1）;
2) 對一大批脈沖星進行偏振特性的觀測，并對脈沖輪廓進行成分分離的分析研究(第四發現點，論文13，14)。
夏曉陽
在北京大學地球物理系天體物理專業就讀碩士學位研究生期間（1979－1982），完成了強磁場下逆康普頓散射截面，相對論電子經過脈沖星表面附近的熱輻射場時的能量損失的計算，同時探討了逆康普頓散射在脈沖星的輻射機制中的作用。該項工作成果（第一發現點，論文1）獲得國際同行證實和廣泛承認。
|
