脉冲星的族群和分布（第 8 章） (The Galactic population of pulsars)

岳友岭国家天文台， FAST 工程2013.8 脉冲星暑期讲习班

Outline

• 天文坐标系• 脉冲星的分布（空间、速度…）– 普通脉冲星、毫秒脉冲星

• P-Pdot 图上的脉冲星分类• 脉冲星巡天模拟– 两种模拟方法– PSRPOP 介绍

• （量级估计和观测选择效应）

天文坐标系• 球面坐标系• 类似地球仪和地图

坐标系• 赤道坐标系（脉冲星名字 , PSR B0329+54,

PSR J0534+2200 ）• 银道坐标系（脉冲星分布常用）• 地平坐标系• 黄道坐标系• 超星系坐标系

(Supergalactic)

坐标系

数据可视化

脉冲星空间分布

~1600 pulsar Lorimer 2010

脉冲星空间分布

灵敏度限制• 白色：全部• 灰色： d<3kpc

11

现有巡天灵敏度

沿银道面分布• 沿 z 方向指数衰减 , 标高 ~300pc

与超新星遗迹比较• 脉冲星更加弥散

From Green 2009

银河系 ~200 SNR 分布

不对称

FAST 天区

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Parkes

FAST

复习几个定义• Pulsar (pulsating radio source, pulsating star) 最初在射电波段，现已扩展到多个波段• 已知脉冲星• 可观测脉冲星 , observable pulsar, 射电束扫过地球• 活动脉冲星 , active pulsar, 射电活动 , 射电束不一定扫过地球 , 但其它波段可能看到脉冲• 中子星 , Dead pulsar, 射电安静

几个量级• 已知脉冲星 , ~2200 颗• 可观测脉冲星 , ~10^5 颗• 活动脉冲星 , ~5*10^5 颗• 银河系超新星 ~1/100yr– ~200 个超新星遗迹– 超新星遗迹寿命 ~100*200 ~ 20000 年（与其它方法接近）

• 中子星 , 10^10yr/100yr ~10^8• 脉冲星典型年龄 10Myr, 10Myr/10Gyr=10^3,中子星 ~ 5*10^5/10^-3~5*10^8

P-Pdot 图

From the Handbook of Pulsar Astronomy

• 年轻脉冲星• AXP/SGR强磁场 ~1014G• DTN/XDIN• 毫秒脉冲星计时稳定探测引力波• 双星系统测量脉冲星质量限制物态方程• 快速旋转限制物态方程

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Gaussian mixture model

Lee et al. 2012

Fermi 脉冲星

2013.8: 132 颗

P-Pdot 图上的演化• 多种理论– 磁场– 吸积过程

脉冲星速度分布• 测量速度的方法– VLBI– Timing– scintillation

• 只能测得 2 维速度（切向速度），假设各项同性，推算得到 3 维速度

Hobbs et al. 2006

• 3D 速度 400(+/-40)km/s• 银河系逃逸速度 ~500km/s (vsun~200km/s)• ~1/4 脉冲星会跑出银河系• 500km/s*10Myr=5kpc• 500km/s*10Gyr=5Mpc

年龄比较• 距离 / 速度• P/(2Pdot)• Cooling

毫秒脉冲星（非球状星团）

球状星团脉冲星

脉冲星巡天模拟• 要解决什么问题？– 怎样作脉冲星巡天最合适（频率、带宽、积分时间、天区覆盖）– …

• 两种方法– Snapshot （快照） , PSRPOP– Dynamic model, evolution （演化）

Spectral index

Sky backgroung

scattering

• 两种方法预计的可观测脉冲星 ~10^5– 30000 (>0.1mJy kpc2)(Lorimer et al., 2006)– 120000 (Faucher-Giguere & Kaspi, 2006)

快照法举例

蓝色：可观测到的脉冲星红色：巡天预计发现脉冲星

LOFAR

PSRPOP

• http://psrpop.sourceforge.net/• http://psrpop.phys.wvu.edu/• Fortran/Linux

• 样例http://ism.bao.ac.cn/pulsar/wiki/

安装运行• Linux• g77

运行结果示例

练习• 选取一个望远镜，设计一个巡天，用

PSRPOP 模拟估计（ 1 ）可观测到多少颗脉冲星（ 2 ）新发现多少颗– 25 米– 40 米– 65 米– 110 米– FAST– SKA

谢谢