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(fā)現(xiàn)一種具有準(zhǔn)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(yù)言的中子星；脈沖星可以作為極端物理條件下（超強(qiáng)磁場、超強(qiáng)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(xué)獎。

脈沖星研究的核心問題之一是它的輻射機(jī)制（輻射區(qū)物理狀態(tài)、輻射的具體過程等）。輻射應(yīng)該由接近光速的帶電粒子在磁場中運(yùn)動產(chǎn)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(fā)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(dǎo)了脈沖星粒子加速區(qū)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(xì)研究了強(qiáng)磁場中逆康普頓散射過程，發(fā)現(xiàn)它是高能光子產(chǎn)生和高能粒子的能量損失重要機(jī)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(qū)磁層結(jié)構(gòu)、粒子加速和輻射，對標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子加速區(qū)的物理進(jìn)行了實質(zhì)性的修改；3）進(jìn)一步提出最創(chuàng)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(jìn)行偏振觀測并進(jìn)行系統(tǒng)分析，得到脈沖星偏振輻射的規(guī)律，為理論研究提供基本依據(jù)和客觀限制。研究成果是從上世紀(jì)80年代開始，歷經(jīng)老師與多屆研究生共同努力的結(jié)果。

我們的研究成果被國際同行證實，并被認(rèn)為"是脈沖星基本物理過程研究中多年來兩項重要進(jìn)展之一"，對標(biāo)準(zhǔn)極冠加速模型進(jìn)行了"實質(zhì)性的修改"；所提的模型是"最創(chuàng)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(yīng)邀在國際會議上作邀請報告。

主要發(fā)現(xiàn)點： 一、核心發(fā)現(xiàn)點

1．率先詳細(xì)研究了強(qiáng)磁場中逆康普頓散射過程,發(fā)現(xiàn)它是高能光子產(chǎn)生和高能粒子的能量損失重要機(jī)制，而非曲率輻射 (論文1)。 通常情況下，逆康普頓散射是產(chǎn)生高能光子的重要機(jī)制。但在強(qiáng)磁場環(huán)境下，情況并不清楚。先前國際權(quán)威得到的結(jié)論是逆康普頓共振散射"可能是不重要的"（Blandford 等1976)。我們詳細(xì)計算了強(qiáng)磁場中的逆康普頓散射過程，發(fā)現(xiàn)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(shù)量級，是一種極其有效的輻射機(jī)制，也是高能粒子能量損失的重要機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)后來被國際學(xué)者所公認(rèn)【例 Daugherty & Harding 1989;Lyubarskii & Petrova 2000】。該項研究屬于高能天體物理領(lǐng)域。

2．率先利用逆康普頓散射過程對脈沖星極冠區(qū)磁層結(jié)構(gòu)和粒子加速進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)是它主導(dǎo)加速區(qū)形成，而不是早先認(rèn)為的曲率輻射或其它過程。加速區(qū)的高度、加速區(qū)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(rèn)為"25年來標(biāo)準(zhǔn)的極冠區(qū)加速模型基本沒有變化。然而，最近有兩項重要的進(jìn)展" ，其中之一就是"逆康普頓散射是一個重要的、可能占主導(dǎo)地位的高能光子產(chǎn)生機(jī)制"。Harding & Muslimov （1998）指出，我們的工作"使得脈沖星極冠區(qū)加速的相關(guān)物理必須進(jìn)行實質(zhì)性的修改"。該項研究屬于高能天體物理領(lǐng)域。

二、其他重要發(fā)現(xiàn)點

3．提出和發(fā)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(rèn)為是"最創(chuàng)新的"【Trimble & Aschwanden 2003，"Astrophysics in 2002"】、"有前景的"、"新穎的輻射機(jī)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(lǐng)域。

4．對脈沖星輻射的輪廓和偏振特征進(jìn)行系統(tǒng)的觀測和分析（論文5，11，12，13，14），為進(jìn)一步的理論工作提供了基本的觀測依據(jù)【Gedalin等2001】。系統(tǒng)地總結(jié)了脈沖星特有的圓偏振輻射的規(guī)律和脈沖星輻射束的特征，對脈沖星脈沖輪廓進(jìn)行成分分離，為"構(gòu)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(lǐng)域。

主要完成人： 喬國俊

1）長期負(fù)責(zé)和領(lǐng)導(dǎo)脈沖星研究小組的各項工作，提出思想，指導(dǎo)研究生進(jìn)行強(qiáng)磁場中逆康普頓散射過程的研究（第一發(fā)現(xiàn)點，論文1）和脈沖星極冠加速區(qū)逆康普頓散射過程的研究(第二發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(guī)律的總結(jié)工作(第四發(fā)現(xiàn)點，論文11，13)。

該項研究占本人工作量的60% 。

張冰

1) 利用強(qiáng)磁場中的逆康普頓散射機(jī)制，對脈沖星極冠區(qū)的加速和輻射過程進(jìn)行了多方面的研究，對標(biāo)準(zhǔn)的極冠加速模型進(jìn)行了實質(zhì)性的修改（第二發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)點，論文8，9，10）。

1994－1998年11月，在北京大學(xué)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(xù)合作研究�？偟恼f，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(xué)做的。他本人系中國公民，中國國籍�，F(xiàn)在在美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)工作。工作單位所在地，也在美國內(nèi)華達(dá)。由于系統(tǒng)設(shè)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(qū)逆康普頓散射過程的研究(第二發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)點，論文8，9)。

3）對脈沖星進(jìn)行大量觀測和資料分析,對脈沖星輻射和偏振規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)(第四發(fā)現(xiàn)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(qiáng)磁場中逆康普頓散射過程的研究（第一發(fā)現(xiàn)點，論文1）;

2) 對一大批脈沖星進(jìn)行偏振特性的觀測，并對脈沖輪廓進(jìn)行成分分離的分析研究(第四發(fā)現(xiàn)點，論文13，14)。

夏曉陽

在北京大學(xué)地球物理系天體物理專業(yè)就讀碩士學(xué)位研究生期間（1979－1982），完成了強(qiáng)磁場下逆康普頓散射截面，相對論電子經(jīng)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(jī)制中的作用。該項工作成果（第一發(fā)現(xiàn)點，論文1）獲得國際同行證實和廣泛承認(rèn)。