On the origin of sub-TeV gamma-ray pulsed emission from rotating neutron stars

被引:13
作者
Bednarek, W. [1 ]
机构
[1] Univ Lodz, Dept Astrophys, PL-90236 Lodz, Poland
关键词
radiation mechanisms: non-thermal; stars: neutron; gamma-rays: general; LARGE-AREA TELESCOPE; CRAB PULSAR; POLAR CAPS; RADIATION; WIND; ACCELERATION; CASCADES; NEBULA; RADIO;
D O I
10.1111/j.1365-2966.2012.21354.x
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
Intriguing sub-TeV tails in the pulsed gamma-ray emission from the Crab pulsar have recently been discovered by the Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov (MAGIC) telescope and Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) collaborations. These were not clearly predicted by any pulsar model. At present, it is argued that this emission is produced by electrons in the inverse Compton process that occur either in the outer gap of the pulsar magnetosphere or in the pulsar wind region at some distance from the light cylinder. We analyse another scenario, which is consistent with the basic features of this enigmatic emission. It is proposed that this emission is caused by electrons accelerated very close to the light cylinder where the e +/- plasma cannot saturate the induced huge electric fields. Electrons reach energies sufficient for the production of hard gamma-ray spectra in the curvature radiation process. Because of different curvature radii of the leading and trailing magnetic field lines, the gamma-ray spectra from separate pulses should extend to different maximum energies. The scenario can also explain the lower-level gamma-ray emission from the interpulse region (between P1 and P2) observed in the light curve of the Crab pulsar. Moreover, we argue that pulsars with parameters close to the Vela pulsar should also show pulsed emission, with the cut-off clearly at lower energies (similar to 50 GeV) than that observed for the Crab pulsar. However, such tail emission is not expected in pulsars with parameters close to the Geminga pulsar. The model also predicts the tail gamma-ray emission extending up to similar to 50 GeV from some millisecond pulsars with extreme parameters, such as PSR J0218+4243 and PSR J18233021A.
引用
收藏
页码:2079 / 2085
页数:7
相关论文
共 35 条
[1]   THE FIRST FERMI LARGE AREA TELESCOPE CATALOG OF GAMMA-RAY PULSARS [J].
Abdo, A. A. ;
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Atwood, W. B. ;
Axelsson, M. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Baring, M. G. ;
Bastieri, D. ;
Baughman, B. M. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bregeon, J. ;
Brez, A. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Burnett, T. H. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Camilo, F. ;
Caraveo, P. A. ;
Casandjian, J. M. ;
Cecchi, C. ;
Celik, Oe ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cognard, I. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Cominsky, L. R. ;
Conrad, J. ;
Corbet, R. ;
Cutini, S. ;
den Hartog, P. R. ;
Dermer, C. D. ;
de Angelis, A. ;
de Luca, A. ;
de Palma, F. ;
Digel, S. W. ;
Dormody, M. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2010, 187 (02) :460-494
[2]   THE VELA PULSAR: RESULTS FROM THE FIRST YEAR OF FERMI LAT OBSERVATIONS [J].
Abdo, A. A. ;
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Allafort, A. ;
Atwood, W. B. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Baring, M. G. ;
Bastieri, D. ;
Baughman, B. M. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Blandford, D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bouvier, A. ;
Bregeon, J. ;
Brez, A. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Burnett, T. H. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Carrigan, S. ;
Casandjian, J. M. ;
Cecchi, C. ;
Celik, Oe ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Conrad, J. ;
Dermer, C. D. ;
de Luca, A. ;
de Palma, F. ;
Dormody, M. ;
do Couto e Silva, E. ;
Drell, P. S. ;
Dubois, R. ;
Dumora, D. ;
Farnier, C. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2010, 713 (01) :154-165
[3]   FERMI LARGE AREA TELESCOPE OBSERVATIONS OF THE CRAB PULSAR AND NEBULA [J].
Abdo, A. A. ;
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Atwood, W. B. ;
Axelsson, M. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Baring, M. G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bregeon, J. ;
Brez, A. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Burnett, T. H. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Camilo, F. ;
Caraveo, P. A. ;
Casandjian, J. M. ;
Cecchi, C. ;
Celik, Oe. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cognard, I. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Cominsky, L. R. ;
Conrad, J. ;
Dermer, C. D. ;
de Angelis, A. ;
de Luca, A. ;
de Palma, F. ;
Digel, S. W. ;
Silva, E. do Couto e ;
Drell, P. S. ;
Dubois, R. ;
Dumora, D. ;
Espinoza, C. ;
Farnier, C. ;
Favuzzi, C. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2010, 708 (02) :1254-1267
[4]   A Population of Gamma-Ray Millisecond Pulsars Seen with the Fermi Large Area Telescope [J].
Abdo, A. A. ;
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Atwood, W. B. ;
Axelsson, M. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Baring, M. G. ;
Bastieri, D. ;
Baughman, B. M. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Bignami, G. F. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bregeon, J. ;
Brez, A. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Burnett, T. H. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Camilo, F. ;
Caraveo, P. A. ;
Carlson, P. ;
Casandjian, J. M. ;
Cecchi, C. ;
Celik, Oe ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cognard, I. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Cominsky, L. R. ;
Conrad, J. ;
Corbet, R. ;
Cutini, S. ;
Dermer, C. D. ;
Desvignes, G. ;
de Angelis, A. ;
de Luca, A. ;
de Palma, F. ;
Digel, S. W. .
SCIENCE, 2009, 325 (5942) :848-852
[5]   Abrupt acceleration of a 'cold' ultrarelativistic wind from the Crab pulsar [J].
Aharonian, F. A. ;
Bogovalov, S. V. ;
Khangulyan, D. .
NATURE, 2012, 482 (7386) :507-509
[6]   VHE γ-ray observation of the Crab Nebula and its pulsar with the MAGIC telescope [J].
Albert, J. ;
Aliu, E. ;
Anderhub, H. ;
Antoranz, P. ;
Armada, A. ;
Baixeras, C. ;
Barrio, J. A. ;
Bartko, H. ;
Bastieri, D. ;
Becker, J. K. ;
Bednarek, W. ;
Berger, K. ;
Bigongiari, C. ;
Biland, A. ;
Bock, R. K. ;
Bordas, P. ;
Bosch-Ramon, V. ;
Bretz, T. ;
Britvitch, I. ;
Camara, M. ;
Carmona, E. ;
Chilingarian, A. ;
Coarasa, J. A. ;
Commichau, S. ;
Contreras, J. L. ;
Cortina, J. ;
Costado, M. T. ;
Curtef, V. ;
Danielyan, V. ;
Dazzi, F. ;
De Angelis, A. ;
Delgado, C. ;
de los Reyes, R. ;
De Lotto, B. ;
Domingo-Santamaria, E. ;
Dorner, D. ;
Doro, M. ;
Errando, M. ;
Fagiolini, M. ;
Ferenc, D. ;
Fernandez, E. ;
Firpo, R. ;
Flix, J. ;
Fonseca, M. V. ;
Font, L. ;
Fuchs, M. ;
Galante, N. ;
Garcia-Lopez, R. ;
Garczarczyk, M. ;
Gaug, M. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2008, 674 (02) :1037-1055
[7]   Phase-resolved energy spectra of the Crab pulsar in the range of 50-400 GeV measured with the MAGIC telescopes [J].
Aleksic, J. ;
Alvarez, E. A. ;
Antonelli, L. A. ;
Antoranz, P. ;
Asensio, M. ;
Backes, M. ;
Barrio, J. A. ;
Bastieri, D. ;
Becerra Gonzalez, J. ;
Bednarek, W. ;
Berdyugin, A. ;
Berger, K. ;
Bernardini, E. ;
Biland, A. ;
Blanch, O. ;
Bock, R. K. ;
Boller, A. ;
Bonnoli, G. ;
Tridon, D. Borla ;
Braun, I. ;
Bretz, T. ;
Canellas, A. ;
Carmona, E. ;
Carosi, A. ;
Colin, P. ;
Colombo, E. ;
Contreras, J. L. ;
Cortina, J. ;
Cossio, L. ;
Covino, S. ;
Dazzi, F. ;
De Angelis, A. ;
De Caneva, G. ;
De Cea del Pozo, E. ;
De Lotto, B. ;
Delgado Mendez, C. ;
Diago Ortega, A. ;
Doert, M. ;
Dominguez, A. ;
Dominis Prester, D. ;
Dorner, D. ;
Doro, M. ;
Eisenacher, D. ;
Elsaesser, D. ;
Ferenc, D. ;
Fonseca, M. V. ;
Font, L. ;
Fruck, C. ;
Garcia Lopez, R. J. ;
Garczarczyk, M. .
ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2012, 540
[8]   OBSERVATIONS OF THE CRAB PULSAR BETWEEN 25 AND 100 GeV WITH THE MAGIC I TELESCOPE [J].
Aleksic, J. ;
Alvarez, E. A. ;
Antonelli, L. A. ;
Antoranz, P. ;
Asensio, M. ;
Backes, M. ;
Barrio, J. A. ;
Bastieri, D. ;
Becerra Gonzalez, J. ;
Bednarek, W. ;
Berdyugin, A. ;
Berger, K. ;
Bernardini, E. ;
Biland, A. ;
Blanch, O. ;
Bock, R. K. ;
Boller, A. ;
Bonnoli, G. ;
Tridon, D. Borla ;
Braun, I. ;
Bretz, T. ;
Canellas, A. ;
Carmona, E. ;
Carosi, A. ;
Colin, P. ;
Colombo, E. ;
Contreras, J. L. ;
Cortina, J. ;
Cossio, L. ;
Covino, S. ;
Dazzi, F. ;
De Angelis, A. ;
De Caneva, G. ;
De Cea del Pozo, E. ;
De Lotto, B. ;
Delgado Mendez, C. ;
Diago Ortega, A. ;
Doert, M. ;
Dominguez, A. ;
Prester, D. Dominis ;
Dorner, D. ;
Doro, M. ;
Eisenacher, D. ;
Elsaesser, D. ;
Ferenc, D. ;
Fonseca, M. V. ;
Font, L. ;
Fruck, C. ;
Garcia Lopez, R. J. ;
Garczarczyk, M. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2011, 742 (01)
[9]   Observation of Pulsed γ-Rays Above 25 GeV from the Crab Pulsar with MAGIC [J].
Aliu, E. ;
Anderhub, H. ;
Antonelli, L. A. ;
Antoranz, P. ;
Backes, M. ;
Baixeras, C. ;
Barrio, J. A. ;
Bartko, H. ;
Bastieri, D. ;
Becker, J. K. ;
Bednarek, W. ;
Berger, K. ;
Bernardini, E. ;
Bigongiari, C. ;
Biland, A. ;
Bock, R. K. ;
Bonnoli, G. ;
Bordas, P. ;
Bosch-Ramon, V. ;
Bretz, T. ;
Britvitch, I. ;
Camara, M. ;
Carmona, E. ;
Chilingarian, A. ;
Commichau, S. ;
Contreras, J. L. ;
Cortina, J. ;
Costado, M. T. ;
Covino, S. ;
Curtef, V. ;
Dazzi, F. ;
De Angelis, A. ;
De Cea del Pozo, E. ;
de los Reyes, R. ;
De Lotto, B. ;
De Maria, M. ;
De Sabata, F. ;
Delgado Mendez, C. ;
Dominguez, A. ;
Dorner, D. ;
Doro, M. ;
Elsasser, D. ;
Errando, M. ;
Fagiolini, M. ;
Ferenc, D. ;
Fernandez, E. ;
Firpo, R. ;
Fonseca, M. V. ;
Font, L. ;
Galante, N. .
SCIENCE, 2008, 322 (5905) :1221-1224
[10]   Detection of Pulsed Gamma Rays Above 100 GeV from the Crab Pulsar [J].
Aliu, E. ;
Arlen, T. ;
Aune, T. ;
Beilicke, M. ;
Benbow, W. ;
Bouvier, A. ;
Bradbury, S. M. ;
Buckley, J. H. ;
Bugaev, V. ;
Byrum, K. ;
Cannon, A. ;
Cesarini, A. ;
Christiansen, J. L. ;
Ciupik, L. ;
Collins-Hughes, E. ;
Connolly, M. P. ;
Cui, W. ;
Dickherber, R. ;
Duke, C. ;
Errando, M. ;
Falcone, A. ;
Finley, J. P. ;
Finnegan, G. ;
Fortson, L. ;
Furniss, A. ;
Galante, N. ;
Gall, D. ;
Gibbs, K. ;
Gillanders, G. H. ;
Godambe, S. ;
Griffin, S. ;
Grube, J. ;
Guenette, R. ;
Gyuk, G. ;
Hanna, D. ;
Holder, J. ;
Huan, H. ;
Hughes, G. ;
Hui, C. M. ;
Humensky, T. B. ;
Imran, A. ;
Kaaret, P. ;
Karlsson, N. ;
Kertzman, M. ;
Kieda, D. ;
Krawczynski, H. ;
Krennrich, F. ;
Lang, M. J. ;
Lyutikov, M. ;
Madhavan, A. S. .
SCIENCE, 2011, 334 (6052) :69-72