探讨玉石脉冲星磁震荡模型——兼论民间科研的现状与发展

原帖由 benlinliu 于 2007-3-12 22:07 发表
谢谢。

周期的跃变，似乎两个假说都不容易解释得很好。

对于磁震荡假说，似乎已经假定震荡只发生在脉冲星的大气中。大气容易遭遇外界干扰，似乎会不稳定的。 ...

谢谢。

我们不是假定振荡只发生在大气中，而是假定大气的温度等状态参数会影响振荡频率。主要是影响电荷的辐射速率。我们假设在振荡的正半周期间辐射出去的正电荷多于负电荷，负半周就会有相反的情况出现。这种非中性的电荷辐射速率影响着震荡的频率。

正像你说的，大气容易遭遇外界干扰，似乎会不稳定的。但是除了外来物的撞击，并没有其它外界干扰，所以长期稳定性还是很稳定的。

原帖由 benlinliu 于 2007-3-12 22:16 发表
应当认为，“脉冲星的产生率”是MO模型一个很不错的论据。

我想，这也许应当与脉冲星的电磁波偏振研究结合起来，也许可以从统计分布看出一些细节情况。 ...

没错，偏振特性的统计研究会是一个很重要的研究方向。

钱德拉望远镜提供了一些脉冲星风云（PWN）的图像，根据PWN的形状我们能够估计出这些脉冲星的转轴方向（例如我的头像照片显示出Crab的转轴与我们的视线夹角大约60度）。36楼的附图 已经给出了偏振与转轴方向的关系。这样，我们就可以找出PWN的形状与偏振的关系。MO模型给出的推测是：
   1、若PWN的形状是雪茄形（例如 PSR J0205+6449），它的辐射应该是线偏振，并且，电矢量的振动面与转轴的平均夹角近似于90度；
   2、若PWN的形状是圆形（例如 PSR B0540-69），它的辐射应该是较弱的圆偏振；
   3、若PWN的形状是椭圆形（例如 Crab），它的辐射应该是椭圆偏振。
   MO模型把偏振特性与PWN的形状联系到了一起，并且成强相关关系。因此，偏振特性与PWN的形状之间的关系可以用来验证MO模型。

你和我都认为“脉冲星的产生率”是MO模型一个很不错的论据。但是这个论据的力度并不是很强。因为估算“脉冲星的产生率”时要用到脉冲星的寿命这个参数，偏差较大。因此说，“脉冲星的产生率”只是一个有利的证据，不是一个有力的证据。

原帖由 benlinliu 于 2007-3-13 21:25 发表
脉冲星的周期变长以及计算出的年龄……如果可能，请更具体地介绍一些

在脉冲星上，辐射的能量的来源是自转动能，随着自转动能的消耗，转速会逐渐降低，脉冲周期就会逐渐增大。我们的MO模型也是基于这种理论。但是我们认为脉冲周期与自转周期是正相关关系，而不是相等关系。

在这里边，由动能向电磁能转换的过程是需要仔细讨论的。
灯塔模型是建立在单极感应的M假设之上，它认为磁场会随星体一起“共转”。如果磁场和星体真的没有相互转动，就没有电磁感应，星体的动能就不可能转换成磁能，没有能量的转换机制，也就不会出现周期变长。
我们的MO模型是建立在N假设之上，转动的星体切割自己的磁场而产生感生电压和电流，这就可以实现动能向磁能的转化。所以，从周期变长这点看来，MO模型比灯塔模型更加容易理解。

再者说，太阳上就存在着磁场振荡的事实，推延到脉冲星也仅仅是时标问题。而灯塔模型的“磁极光柱”还仅仅是一种推测，没有任何的类似过程可以参考。

脉冲星年龄问题
有一个公式可以计算脉冲星的特征年龄：

$\tau=frac{P}{2\dot{P}}

$\tau$是特征年龄，P是周期，$\dot{P}$是周期变化率。这个公式在脉冲星的教科书中都能找到。

最近，我儿子对脉冲星的极移进行了仔细的计算，已经找到了磁倾角与周期的一种简单明了的数学关系。该关系说明，原来的特征年龄公式没有什么意义。我们相信这项计算已经是无懈可击。

[ 本帖最后由 愚石 于 2007-3-13 22:59 编辑 ]

原帖由 benlinliu 于 2007-3-13 21:30 发表
初次接触脉冲星的“零脉冲，节拍和脉冲漂移”现象，如果可能，请玉石先生作出介绍。

“节拍”是指脉冲信号时强时弱。
“零脉冲”是指有时会停止发射。这可以看成节拍的极端表现。
“脉冲漂移”是指脉冲在相位上的有规律的漂移现象。
这三种现象是两种（或以上）频率互相调制的典型表现。这充分证明在脉冲星上至少存在着两种或两种以上的周期现象。如果脉冲星上的物质（星体和磁层）都是”共转“的，除了自转频率就没有第二种频率存在，调制现象就无法解释。

MO模型认为，脉冲星上至少存在着自转频率和磁场振荡频率这两个频率，在某些条件下（比如辐射区集中在星体的局部）就会观察到调制现象。

相比之下，在这一点上，我们的MO模型具有优势。

[ 本帖最后由 愚石 于 2007-3-13 23:01 编辑 ]

原帖由 benlinliu 于 2007-3-14 20:48 发表
这是普遍现象,还是偶然现象?蟹状星云有吗?

如果可能,请给予比较详细的描述.

有调制现象的这只占少数。Crab好像没有发现（我没有看到报道）。
要出现明显的调制现象，至少要满足两个必要条件：
1、另一个周期（比如自转周期）必须对脉冲信号有明显的调制作用。并非任何两个周期现象都会产生明显的调制。比如带着手机荡秋千，秋千周期对手机信号的调制作用就很难检测出来。脉冲星自转对脉冲信号是否有调制作用，要看辐射区是否轴对称。轴对称就没有调制作用。
2、调制的“波节周期”要小于观测时长，比如每次观测几十分钟，那么，在此期间要包含几个波节周期，才容易发现调制现象。
现在看来，同时满足这两个条件的脉冲星不是很多。在人们坚信灯塔模型的时候，对调制现象的搜索力度可能不够。如果相信MO模型，加大搜索辨认的力度，可能会发现更多的阳性样本。所以，编制一种专业的搜索软件进行搜索，而不是靠经验观看搜索，可能是一项有意义的工作。

现在，脉冲星专家为了解释调制现象，人为地增加了一个转动周期，就是辐射区绕着磁极在转动（他们形象地描述为“左轮手枪”）。辐射区绕着磁极转（这就像地心说的本轮），磁极又跟着星体转（这就像地心说的均轮），调制现象就出来了。

但是增加出来的辐射区本轮，破坏了脉冲星的基本假设：脉冲星上的所有物质（特别是所有的磁层粒子）都是与星体一起共转的。

[ 本帖最后由 愚石 于 2007-3-15 09:45 编辑 ]

原帖由 benlinliu 于 2007-3-14 21:30 发表
看来,这是一个有着科学探索精神家庭.
科学探索应当而且能够成为我们的内在需求,流行娱乐.

这项业余研究本来就开始于我儿子在中学时的疑问：磁场是否跟随磁铁转动？为此我们开始了几年的不断讨论。在我们讨论了很久以后，才知道这是有名的单极感应问题。也知道了前人的实验倾向于支持N假设，这与我们的认识相同。
我们把这种讨论转到了地磁场、太阳磁场、脉冲星磁场。自认为得到了很有意义的认识。

最近，他的计算发现了脉冲星的磁倾角变化与周期变化的关系：

$\cos\alpha =\frac{P\cos\alpha_0}{P_0} $

这个关系对特征年龄的计算公式很是不利。

正像你说的，这是我们真正的娱乐。

[ 本帖最后由 愚石 于 2007-3-15 10:18 编辑 ]

原帖由 benlinliu 于 2007-3-15 22:25 发表
5.8. 转动能损率

按照灯塔模型，转动能损失直接导致脉冲星脉冲频率放慢，而脉冲辐射导致转动能损失。

在MO模型中，脉冲辐射与自转是分开的。脉冲频率并不反映自转情况。这似乎值得深入研究。 ...

虽然MO模型认为脉冲频率并不反映自转情况，但是它认为自转频率与辐射频率成正相关关系。只要自转频率降低了，辐射频率也就降低了。所以，辐射频率降低就意味着转动能的损失。

一个模型要想成立，必须在转动能与电磁能之间建立起转换的桥梁。如果转动能不能转换成电磁能，该模型就永远是猜想。

在45楼，已经讨论了一下辐射与自传变慢的关系。两种模型都认为脉冲星的转动能变成了辐射能。
确实如你所说，“在MO模型中，脉冲辐射与自转是分开的。脉冲频率并不反映自转情况”。但是MO模型认为，电磁振荡的能量消耗是由自转能补充的，具体的过程是：星体转动，切割不转动的磁力线，产生感生电压和感生电流，这就是一个“单极发电机”，因为试验已经证实，单极发电机确实可以发电，所以脉冲星内部会产生电流应该不会有什么问题。只是电流的分布还需要用合适的微分方程来解决。（我们相信，只要这个问题解决了，星体磁场的起源问题就解决了）。也就是说，在MO模型下，转动能变成电磁能是比较可信的，是有基本的试验支持的。
相比之下，灯塔模型就困难的多。因为它是建立在M假设之上，磁场和星体是共转的，星体的物质与磁场没有相互运动，发电机就不可能实现，动能也就不可能转换成电磁能，转动能损耗就无从谈起。原来的磁场能辐射掉了，就无法补充。现在，我们还没有见到讨论转动能向磁能转换的文章。

按照MO模型，决定粒子加速度的因素是磁通的变化率而非磁感应强度。磁场过零时，大部分的磁场能都变成了电场能用于加速粒子，具有比灯塔模型高得多的能量利用率，所以，脉冲星的磁场强度可能远远低于从灯塔模型得到的估计值。在每次反转的过程中，先是磁场能转变为电场能，一部分电场能被辐射掉或被粒子带走了，大部分又会转变回磁场能，只有被辐射出去的那部分能量需要从转动能中获得补充。
    MO模型是间断地向所有方向辐射。相比之下，灯塔模型是连续地向特定的方向辐射。如果我们根据接收到的能量和距离推算脉冲星的辐射总功率，MO模型算出的总功率稍大于灯塔模型。
  另外，MO模型不承认磁偶极辐射（MO模型认为磁倾角总是等于零，也就没有偶极辐射），所以原来估算磁场强度的方法也就失效了。考虑这些变化以后，它的转动能损率需要用新的方法重新进行估算。在给出新的估算结果之前，转动能损率问题还不足以否定MO模型。

[ 本帖最后由 愚石 于 2007-3-16 08:35 编辑 ]

原帖由 benlinliu 于 2007-3-16 20:56 发表
谢谢玉石的说明.

关于单极感应,我们已经开始实验了,也许就能够做到定量化,能够做到实实在在.争取用定量规律叙述单极发电机.

如果单极感应证实了,MO模型就更容易被大家理解为更合理的理论了. ...

我相信总有那一天，人们会对灯塔模型和MO模型进行仔细的比较。
反正我们也不是指着这个东西吃饭的，也没有发表论文的压力。慢慢地玩就是了。

原帖由 benlinliu 于 2007-3-16 22:13 发表
的确,微脉冲如果真的存在,应当是MO模型的有利证据.

也许,应当有一些脉冲星的微脉冲的详细资料,以便做比较细致的分析.....也许能找到一些有意义的启发 ...

关于微脉冲，已经有了不少的资料。可惜的是，人们把脉冲宽度与辐射源大小的关系弄反了。
人们通常把脉冲波形与辐射区的结构相对应，把微脉冲与辐射区的微结构相对应。这完全违背了光束辐射的规律。

如果我们在极其遥远的地方接受雷达的光束扫描，那么，雷达的直径越大，接收到的脉冲就越窄。雷达天线上的“局部缺陷”会对远处接受到的波形产生影响，但是，这种小面积的局部缺陷产生的扫描脉冲必然会宽于主脉冲。或者说，雷达天线上的局部缺陷只会使得远处的信号更模糊，不会使得远处的信号更具细节。

同样，脉冲星辐射区的局部细节（相当于雷达天线的局部缺陷）不会产生比主脉冲时标更小的微脉冲。

人们连这种最基本的关系都没有注意到，说明脉冲星的研究确实还有还多路要走。

原帖由 benlinliu 于 2007-3-18 21:46 发表
微脉冲，的确是一个相当微妙的问题。
有没有这方面观测资料的综述文献？如果有的话，值得传上来，供大家学习与研讨。

在我的博客里边讨论了一下微脉冲问题。

在脉冲星的观测数据中，人们已经发现了极其精细的微脉冲。 用灯塔模型解释脉冲的精细结构是有困难的。人们通常认为脉冲的精细结构对应着辐射区的精细结构，经过我们的计算，即使这些精细区域真的存在，即使这些精细区域都产生完全的相干辐射，（就像很多的激光器组成的阵列）也不可能让我们观测到此精细的微脉冲。
   激光光束的散射规律是：
$tan\beta=frac{2\lambda}{\pi d}$.
β――发散角，λ――波长，d――发射区的直径。
   这说明，光束的直径越小，它的发散角就越大。知道了光束的发散角和波长，就可以计算发射源的几何尺寸的下限。
以PSR1136+16为例，它的周期为1.188s，在1.65GHz(λ=0.18m)波段, 最窄的微脉冲宽度为2μs, (参见下面的附件资料)。微脉冲的宽度与脉冲周期之比为1.68E-6，这就限制了光束的发散角β≯1.06E-5 弧度。如果微脉冲真的与辐射源的微结构相对应，由上式可以算出这些微结构的直径d≮10.8km。在尺寸上，辐射区的微结构比脉冲星直径还要大，这显然是不可能的。
   需要特别注意的是，上面的计算是基于完全的相干辐射。实际上，发射区不可能是完全的相干辐射，因为只有单色光才有可能是相干光，而脉冲星不是单色光辐射，而是按幂律谱辐射的。对于非相干的辐射，就应该按照面光源进行计算，那样一来，光束的发散角要比上面的情况大得多。所以，脉冲星的微脉冲不可能是由辐射区的微结构产生的。或者说，灯塔扫描不可能扫描出如此精细的脉冲。

灯塔模型出现困难的原因是扫描得到的波形必须符合光束的发散规律，越是精细的信号，要求辐射的发散角越小，要求辐射源的面积越大。但是中子星的表面积是很小的，无法让光束达到很小的发散角。

按照MO模型，就不存在这种问题，因为它认为脉冲星的辐射信号完全是时域上的信号，其精细结构不受发散角的影响。上述困难就不复存在。

[ 本帖最后由 愚石 于 2007-3-19 20:22 编辑 ]