项目名称： 脉冲星磁层和辐射的研究

推荐单位： 北京市

项目简介： 1967年，在无线电波段发现一种具有准确周期脉冲的天体，称为脉冲星。它是人们极力要寻找的、1932年就在理论上预言的中子星；脉冲星可以作为极端物理条件下（超强磁场、超强引力场等）的试验室，通过对脉冲双星的研究，验证了引力波的存在。这两项研究分别于1974和1993年获得诺贝尔物理学奖。

脉冲星研究的核心问题之一是它的辐射机制（辐射区物理状态、辐射的具体过程等）。辐射应该由接近光速的带电粒子在磁场中运动产生，这个观点虽然已被广泛接受，但是，粒子是如何被加速、而又通过什么物理过程发出辐射的呢？这些问题长期困扰着天体物理界。人们一直以为是粒子沿磁力线的曲率辐射主导了脉冲星粒子加速区的物理过程。在这一框架下形成的理论模型流行了很长时间，但是曲率辐射效率很低，造成理论与观测的诸多冲突，长期以来又没有更好的理论模型来取代，制约了脉冲星物理的研究。

本项目 1）在国际上率先详细研究了强磁场中逆康普顿散射过程，发现它是高能光子产生和高能粒子的能量损失重要机制，而非曲率辐射；2）利用上述理论率先研究了脉冲星极冠区磁层结构、粒子加速和辐射，对标准模型中粒子加速区的物理进行了实质性的修改；3）进一步提出最创新的脉冲星射辐射模型，能够解释大量目前无法解释的观测事实；4）对脉冲星进行偏振观测并进行系统分析，得到脉冲星偏振辐射的规律，为理论研究提供基本依据和客观限制。研究成果是从上世纪80年代开始，历经老师与多届研究生共同努力的结果。

我们的研究成果被国际同行证实，并被认为"是脉冲星基本物理过程研究中多年来两项重要进展之一"，对标准极冠加速模型进行了"实质性的修改"；所提的模型是"最创新"而"有前景的"模型；我们的观测和分析为一些理论研究提供了基本的前提。申报的论文他人引用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两本教科书的引用和评述。项目组成员，多次应邀在国际会议上作邀请报告。

主要发现点： 一、核心发现点

1．率先详细研究了强磁场中逆康普顿散射过程,发现它是高能光子产生和高能粒子的能量损失重要机制，而非曲率辐射 (论文1)。 通常情况下，逆康普顿散射是产生高能光子的重要机制。但在强磁场环境下，情况并不清楚。先前国际权威得到的结论是逆康普顿共振散射"可能是不重要的"（Blandford 等1976)。我们详细计算了强磁场中的逆康普顿散射过程，发现了谐振点附近散射截面可以比通常的汤姆孙散射截面高出几个数量级，是一种极其有效的辐射机制，也是高能粒子能量损失的重要机制。这一发现后来被国际学者所公认【例 Daugherty & Harding 1989;Lyubarskii & Petrova 2000】。该项研究属于高能天体物理领域。

2．率先利用逆康普顿散射过程对脉冲星极冠区磁层结构和粒子加速进行研究，发现是它主导加速区形成，而不是早先认为的曲率辐射或其它过程。加速区的高度、加速区的电势、粒子的能量等均需要重新计算（论文2，3，6，7）。Hibschman & Arons (2001) 认为"25年来标准的极冠区加速模型基本没有变化。然而，最近有两项重要的进展" ，其中之一就是"逆康普顿散射是一个重要的、可能占主导地位的高能光子产生机制"。Harding & Muslimov （1998）指出，我们的工作"使得脉冲星极冠区加速的相关物理必须进行实质性的修改"。该项研究属于高能天体物理领域。

二、其他重要发现点

3．提出和发展新颖的脉冲星射电辐射模型（论文4，8，9，10）。该模型被国际同行认为是"最创新的"【Trimble & Aschwanden 2003，"Astrophysics in 2002"】、"有前景的"、"新颖的辐射机制，能够给出脉冲星的多辐射束的解释"【Rankin & Wright 2003，The Astron Astrophys Rev. 长篇综述】。该项研究属于射电天文领域。

4．对脉冲星辐射的轮廓和偏振特征进行系统的观测和分析（论文5，11，12，13，14），为进一步的理论工作提供了基本的观测依据【Gedalin等2001】。系统地总结了脉冲星特有的圆偏振辐射的规律和脉冲星辐射束的特征，对脉冲星脉冲轮廓进行成分分离，为"构造任何唯象模型提供观测限制"之一【Karastergiou等 2007】。该项研究属于射电天文领域。

主要完成人： 乔国俊

1）长期负责和领导脉冲星研究小组的各项工作，提出思想，指导研究生进行强磁场中逆康普顿散射过程的研究（第一发现点，论文1）和脉冲星极冠加速区逆康普顿散射过程的研究(第二发现点，论文2，3，6，7，15)；

2）提出脉冲星射电辐射的逆康普顿模型(第三发现点，论文4，8，9，10)。

3) 参与脉冲星观测和资料分析,参与脉冲星辐射和偏振规律的总结工作(第四发现点，论文11，13)。

该项研究占本人工作量的60% 。

张冰

1) 利用强磁场中的逆康普顿散射机制，对脉冲星极冠区的加速和辐射过程进行了多方面的研究，对标准的极冠加速模型进行了实质性的修改（第二发现点，论文2，3，6，7，15）;

2）参与脉冲星的射电辐射模型的研究（第三发现点，论文8，9，10）。

1994－1998年11月，在北京大学做研究生和博士后期间，几乎全部时间从事该项研究。1999－2001年，继续合作研究。总的说，该项研究中的工作量占本人工作量的70%。

说明：张冰是乔国俊的硕士、博士研究生，第一个博士后也是在北京大学做的。他本人系中国公民，中国国籍。现在在美国内华达大学工作。工作单位所在地，也在美国内华达。由于系统设置，无法录入，故暂时填写北京。邮编是：NV89154。

韩金林

1) 参与了脉冲星极冠加速区逆康普顿散射过程的研究(第二发现点，论文2，6);

2) 参与了脉冲星射电辐射模型的研究工作(第三发现点，论文8，9)。

3）对脉冲星进行大量观测和资料分析,对脉冲星辐射和偏振规律进行了系统总结(第四发现点，论文5，11，12);

该项脉冲星研究占本人工作量的50%。

吴鑫基

1) 参加强磁场中逆康普顿散射过程的研究（第一发现点，论文1）;

2) 对一大批脉冲星进行偏振特性的观测，并对脉冲轮廓进行成分分离的分析研究(第四发现点，论文13，14)。

夏晓阳

在北京大学地球物理系天体物理专业就读硕士学位研究生期间（1979－1982），完成了强磁场下逆康普顿散射截面，相对论电子经过脉冲星表面附近的热辐射场时的能量损失的计算，同时探讨了逆康普顿散射在脉冲星的辐射机制中的作用。该项工作成果（第一发现点，论文1）获得国际同行证实和广泛承认。