АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2006, том 83, № 1, с. 62-69
УДК 524.354.2+ 524.354.4-77
ГИГАНТСКИЕ ИМПУЛЬСЫ - ОСНОВНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРА В КРАБОВИДНОЙ ТУМАННОСТИ
© 2006 г. М.В.Попов1, В. А. Согласнов1, В.И.Кондратьев1, С. В. Костюк1, Ю. П. Илясов2, В. В. Орешко2
1 Астрокосмический центр ФИАН, Москва, Россия 2Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН, Пущино, Россия Поступила в редакцию 20.05.2005 г.; принята в печать 06.07.2005 г.
Представлены результаты анализа наблюдений пульсара в Крабовидной туманности, выполненные на 64-м радиотелескопе в Калязине на частоте 600 МГц в двух поляризационных каналах с временным разрешением 250 нс. В предположении, что радиоизлучение пульсара в главном импульсе и в интеримпульсе целиком состоит из гигантских радиоимпульсов, сделана оценка нижнего предела для интенсивности гигантских импульсов, который оказался равным 100 и 35 Ян для пиковой плотности потока гигантских импульсов, возникающих в главном импульсе и в интеримпульсе, соответственно. При этом считается, что нормальное радиоизлучение пульсара происходит в предымпульсе. В рамках этих предположений долготное положение гигантских радиоимпульсов относительно профиля нормального радиоизлучения оказывается одинаковым для исследуемого пульсара в Крабовидной туманности и для миллисекундного пульсара В1937+21, а именно, гигантские импульсы возникают у задней кромки профиля нормального радиоизлучения. Анализ распределения гигантских импульсов по степени круговой поляризации показывает, что гигантские импульсы могут состоять из случайной смеси наноимпульсов с полной круговой поляризацией того или иного знака. Среднее число таких наноимпульсов в одном гигантском импульсе составляет около сотни.
1. ВВЕДЕНИЕ
Гигантские импульсы представляют собой кратковременные всплески радиоизлучения, пиковая плотность потока которых в сотни и тысячи раз превышает значение, соответствующее пиковой плотности потока в среднем профиле импульса пульсара. Хотя в последние годы появился целый ряд публикаций по поводу обнаружения сильных коротких импульсов у нескольких пульсаров [1—5], подробно исследованы свойства гигантских радиоимпульсов были только у двух: у пульсара в Крабовидной туманности (см. ссылки в публикациях [6, 7]) и у миллисекундного пульсара В1937+21 [8-12].
2. НАБЛЮДЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Наблюдения, анализ которых представлен в данной работе, были проведены 25-26 ноября 2003 г. на частоте 600 МГц с помощью 64-м радиотелескопа в Калязине. Длительность сеанса наблюдений, для которого проведена обработка данных, составила 3 ч. Наблюдения были выполнены в рамках международной программы многочастотных исследований свойств гигантских импульсов пульсара в Крабовидной туманности
(пульсар В0531 +21). В этой программе принимали участие 100-м радиотелескоп в Эффельсберге (8350 МГц), 76-м радиотелескоп обсерватории Джодрелл Бэнк (1400 МГц), радиотелескоп системы апертурного синтеза в Вестерборке (1200 МГц), радиотелескопы БСА и ДКР-1000 в Пущино (111 МГц) и Т-образный радиотелескоп УТР-2 в Харькове (23 МГц). Кроме того, одновременные наблюдения проводились в оптическом диапазоне на 6-м телескопе БТА САО и на 2.8-м телескопе в Ла Пальма. В программе также участвовали гамма-телескопы MAGIC и HESS в Ла Пальме и в Намибии, которые регистрировали черен-ковское свечение в верхних слоях атмосферы от высокоэнергичных гамма-квантов. В данной работе выполнен анализ наблюдений в Калязине на частоте 600 МГц. Совместный анализ многочастотных наблюдений будет представлен в других публикациях.
Радиотелескоп в Калязине принимал радиоизлучение по двум поляризационным каналам с левой круговой (LCP) и с правой круговой (RCP) поляризациями. В каждом поляризационном канале регистрировались две частотные полосы (верхняя боковая и нижняя боковая) с шириной по 4 МГц каждая, при этом центральная частота бы-
Плотность потока, Ян
25000 г
20000
15000
10000
5000
-5000 16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
-2000
ЯСР ЬСР
596 МГц |
596 МГц
25000
20000
15000
•М ! , ■
1 Щ!'ЩМ 10000
5000
-1-1-1-1-1-1 -5000
40000
ЯСР -ЬСР
600 МГц
_|_I_I_I_I_I
-ЯСР
ЬСР 35000 30000
25000 20000 15000 10000 5000 0
-5000
600 МГц
ЯСР ЬСР
0 200 400 600 800 1000 1200
Время, мкс
0 200 400 600 800 1000 1200
Время, мкс
Рис. 1. Пример двух сильных гигантских импульсов, представленных с усреднением по 8 мкс. Штриховой линией показан сигнал в канале с левой круговой поляризацией, сплошной линией — с правой. Наблюдаемая форма импульсов обусловлена рассеянием радиоволн на неоднородностях межзвездной плазмы.
ла равна 600.0 МГц. Таким образом, временное разрешение составило 250 нс. Регистрация данных осуществлялась на видеокассеты двухбитным двоичным кодом с помощью системы регистрации S2. Воспроизведение данных после наблюдений проводилось в АКЦ ФИАН на специализированной системе S2-RDR, разработанной в Отделе обработки астрофизических данных. Устранение влияния дисперсии радиоволн проводилось методом
додетекторной компенсации дисперсии [13]. Методика обработки описана в наших предшествующих публикациях [14]. Процедура восстановления сигнала требует больших затрат вычислительного времени: 10 мин наблюдательного времени обрабатываются в течение 20 ч. При восстановлении сигнала мы использовали значение меры дисперсии 56.757, взятое из ежемесячных эфемерид обсерватории Джодрелл Бэнк [15].
0
0
Число событий
Пиковая плотность потока, Ян
Рис. 2. Распределение обнаруженных гигантских импульсов по пиковой плотности потока.
3. КРИТЕРИЙ ОБНАРУЖЕНИЯ
Расширение импульса из-за влияния дисперсии радиоволн в межзвездной плазме, которое составляет в нашем случае около 8.5 мс, было полностью скомпенсировано методом додетекторной компенсации дисперсии. Однако рассеяние радиоволн на неоднородностях межзвездной плазмы также дает заметное уширение импульса. Как будет показано в разделе 4, эффективная ширина импульса, обусловленная рассеянием, составляет для нашего сеанса наблюдений 60 мкс. Поэтому для увеличения чувствительности при поиске гигантских импульсов было проведено усреднение восстановленного сигнала с постоянной времени 32 мкс (256 точек). Так как хорошо известно, что гигантские радиоимпульсы от пульсара в Крабовидной туманности наблюдаются только в узких долготных интервалах, соответствующих положению главного импульса и интеримпульса, то поиск радиовсплесков проводился только в двух долготных интервалах — "окнах", синхронизированных с периодом пульсара. Ширина каждого окна составляла 960 мкс или 30 точек на усредненной записи. Гигантским импульсом считалось событие, для которого в одном из окон амплитуда сигнала относительно среднего уровня превышала величину 5 а хотя бы в одном из четырех каналов. Дополнительно накладывалось требование, чтобы в той же точке (с учетом дисперсионного запаздывания между каналами) амплитуда в одном из трех оставшихся каналов превысила уровень 3.5 а. После усреднения по 256 точек распределение амплитуд сигнала близко
к нормальному распределению. Для нормального распределения вероятности превышения уровней 5 а и 3.5 а составляют соответственно 2.87 х 10-7 и 2.32 х 10-4. Тогда полная вероятность случайной реализации события, определяемого указанными выше критериями, составит 8 х 10-10. На каждом периоде пульсара проводится 60 испытаний, а за 3 ч наблюдений — 2 х 107, и, следовательно, ожидаемое число ложных гигантских импульсов составит всего 0.015. Таким образом, все обнаруженные гигантские импульсы являются реальными. За 3 ч наблюдений обнаружено 4287 гигантских импульсов, из них 3802 — на долготах главного импульса и 485 — на долготах интеримпульса.
На рис. 1 показаны примеры сильных гигантских импульсов. Шкала плотности потока установлена по величине среднеквадратического уклонения, которое составляет 1270 Ян и определяется в основном вкладом радиоизлучения Крабовидной туманности. Обоснование этой оценки сделано в работе [16]. Для дальнейшего анализа необходимо знать эффективное значение пороговой плотности пикового потока гигантских импульсов, обнаруженных в соответствии с описанными выше критериями. Это значение было определено из распределения обнаруженных гигантских импульсов по пиковой плотности потока, приведенного на рис. 2. Пиковая плотность потока определялась усреднением по всем частотным и поляризационным каналам. Распределение, приведенное на рис. 2, показывает резкий обрыв при значении плотности потока около 300 Ян; это значение и было принято для минимальной пиковой плотности потока гигантских импульсов, обнаруженных в нашем анализе.
4. ПРОФИЛЬ РАССЕЯНИЯ
Форма обнаруженных гигантских радиоимпульсов полностью определяется влиянием рассеяния радиоволн на неоднородностях межзвездной плазмы, как хорошо видно на рис. 1. Гигантские импульсы имеют крутой передний фронт и экспоненциальный спад. Для определения эффективной ширины гигантских импульсов был построен средний профиль гигантского импульса путем усреднения всех обнаруженных импульсов с пиковой плотностью потока больше 800 Ян. При этом усреднении импульсы были выравнены по точке переднего фронта, для которой амплитуда отклонения от среднего значения вне импульса составляет меньше 30% от максимальной амплитуды данного импульса (такое выравнивание осуществлялось для сигнала, усредненного с постоянной времени 8 мкс). Полученный средний профиль гигантского импульса показан в правой части рис. 3. В левой части этого же рисунка в полулогарифмическом
Плотность потока, Ян
2500 г
2000
1500
1000
500
-500
Плотность потока, Ян
10000 г
1000
100
-400 -200
200 400 600 Время , мкс
10
40
80
120 160 Время , мкс
Рис. 3. Профиль рассеяния гигантских импульсов (слева) и аппроксимация экспонентой хвостовой части профиля (справа). Постоянная времени экспоненты составляет 45 мкс.
масштабе показана зависимость интенсивности от времени для заднего фронта импульса. Видно, что наблюдаемые точки хорошо аппроксимируются линейной зависимостью, а форма этого участка профиля представляет собой экспоненциальный спад по закону 5 = Бр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.