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脉冲星自1967年发现以来一直是人们研究的热点。射电脉冲星是一类以自转能作为辐射能源的脉冲星,所以又称为转动供能脉冲星。射电脉冲星的自转能仅有一小部分是以周期性脉冲的形式释放的,90%以上的能量以相对论粒子流的形式释放到周围空间中,并与周围介质作用产生相对论激波形成脉冲星星风云。早期的X射线观测分辨率很低,所以对星风云的研究受到限制。自从Chandra X射线观测卫星上天之后,以它超群的空间分辨率,观测研究了越来越多的星风云,这些星风云的性质和脉冲星的X射线辐射一起为我们理解脉冲星的形成,演化和与周围物质的相互作用提供了很好的实验室。
本文利用Chandra卫星的数据对转动供能脉冲星及其星风云的X射线辐射进行了研究,既分析了一颗脉冲星-星风云系统的高空间分辨率的形态和能谱也研究了目前观测到的比较亮的X射线脉冲星和星风云的统计特征。
在第一章,我简单总结了对转动供能脉冲星的X射线辐射和星风云研究的历史和现状,一共有两个部分。第一部分主要针对脉冲星,介绍目前对脉冲星基本物理参数的定义、转动供能脉冲星的X射线辐射特征、辐射能谱、辐射机制和目前存在的模型的理解。第二部分介绍星风云的动力学结构和演化、星风的形成、年轻星风云的基本结构和弓激波的形成以及星风云的研究对脉冲星研究的限制。并简单介绍了目前的几个研究方向。
第二章,主要介绍Chandra卫星和数据处理。Chandra卫星是目前为止空间分辨率最好的一颗软X射线观测卫星,同时也可以实现高分辨率的能谱观测,是目前X射线天文学中最重要的观测卫星之一。我们对Chandra卫星的主要观测仪器性能做了简要介绍。同时,我们对Chandra数据分析软件CIAO做了介绍,尤其对本文将要用到的ACIS成图观测的数据处理过程做了较为详尽的说明。
第三章和第四章是博士期间的主要工作成果。第三章比较详尽的分析了超新星遗迹CTB80中心的脉冲星PSR B1951+32及其周围星风云的高分辨率的Chandra X射线形态和能谱。Chandra X射线图像揭示了位于超新星遗迹喷射物中的冲压限制的星风云:一个点源是脉冲星嵌在一个30"直径的平台东南边缘,前面有弓激波辐射。平台被射电、[OⅢ]、[SⅡ]和[NⅡ]的壳层包围,外部的弥漫辐射大多位于Hα壳层里面。总体来说,这些成分的能谱符合从内到外变陡的趋势。然而,平台边界的能谱看起来比中心区硬。这个边缘谱硬化的起因还不清楚,但是我们猜测可能是星风云和超新星遗迹喷射物之间的激波导致的。脉冲星的主要辐射成分是非热X射线辐射,但也存在温度为0.13±0.02 keV,等效辐射半径为2.2+-1.40.8(d/2 kpc)km的黑体辐射成分,这一黑体成分可能源于脉冲星表面的热斑。在这里我们的结果还显示PSR B1951+32的整个表面的黑体温度比标准中子星冷却模型预言的要低很多。
在第四章,我们统计研究了Chandra和XMM-Newton观测的28颗转动供能脉冲星和20个星风云的非热X射线辐射。我们分别获得了这些脉冲星和星风云的X射线光度和幂律谱指数(Lx,psr,Γpsr,Lx,pwn和Γpwn),并研究了这些量和脉冲星周期(P)、周期导数((P))、特征年龄(τ)、自转能损—自转减慢光度((E))和表面磁场(B)之间的关系。我们发现:(1)Lx,psr与P,(P)、τ、(E)和B强相关;(2)Γpsr与B和(E)负相关但与P和τ正相关;(3)Lx,pwn表现出与P,(P)的弱相关和与τ和(E)的强相关;(4)Γpwn与P、(P)、τ和(E)相关。对这些相关性背后的物理也做了简单讨论。
第五章对博士期间的主要工作进行了总结和展望。