АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 5, с. 442-449
УДК 523.45-77
ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ПРОСТЫХ S-ВСПЛЕСКОВ ДЕКАМЕТРОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ЮПИТЕРА
(© 2007 г. Г. В. Литвиненко1, В.В.Виноградов1, Х. О. Рукер2, В.Е.Шапошников3
1Радиоастрономический институт, Харьков, Украина 2Институт космических исследований, Грац, Австрия 3Институт прикладной физики, Нижний Новгород, Россия Поступила в редакцию 12.08.2005 г.; после доработки 12.10.2006 г.
Исследуется внутренняя "тонкая" структура фундаментальных декаметровых миллисекундных S-всплесков Юпитера. Методом вейвлетной трансформации анализируются широкополосные данные, полученные с помощью измерительной аппаратуры прямой регистрации (WFR — Waveform Receiver) на телескопе декаметрового диапазона УТР-2. Показано, что миллисекундные S-всплески имеют сложную внутреннюю импульсную микроструктуру, приведены ее характеристики. Полученные результаты открывают новые перспективы в понимании природы декаметрового излучения Юпитера.
PACS: 96.30.Kf, 95.85.Bh
1. ВВЕДЕНИЕ
Декаметровое радиоизлучение Юпитера регулярно наблюдается почти при каждом появлении планеты в поле зрения радиотелескопов, начиная со времени его обнаружения в 1955 г. [1]. Это излучение состоит из шумовых бурь, образованных мощными спорадическими всплесками и наблюдаемых в диапазоне от нескольких мегагерц до 39 МГц. Наблюдения в широком интервале частот, охватывающем весь декаметровый диапазон, и на больших временах (порядка нескольких часов) показали, что декаметpовое излучение обладает сложной частотно-временной структурой. На динамическом спектре можно выделить несколько временньк и частотных масштабов. Наибольшими масштабами обладает шумовая буря, которая может длиться несколько часов и занимает почти весь декаметровый диапазон. На временных масштабах порядка нескольких минут наблюдаются спектральные арки — система повторяющихся открытых или закрытых в направлении оси времени скобок. Эта структура всегда присутствует в наблюдаемом излучении: частотный интервал, занимаемый арками, представляет весь частотный диапазон шумовой бури. На более мелких временных масштабах (от нескольких секунд до десятков секунд) наблюдаются модуляционные линии. В последнее время название Ь-всплески используется как объединяющее название для всех указанных выше типов декаметрового излучения.
На масштабах короче, чем 0.01 с, можно наблюдать Б-излучение. Б-излучение представляет
собой наиболее мощную компоненту радиоизлучения Юпитера. Характерные временные масштабы Б-излучения занимают интервал от нескольких миллисекунд до десятков миллисекунд и обязаны своим происхождением свойствам самого источника радиоизлучения, а не эффектам распространения. Б-всплески наблюдаются от так называемых Ио-связанных источников. В этом контексте термин "источники" отражает идентификацию декаметрового излучения по морфологическим особенностям диаграммы "долгота центрального меридиана1 — координата спутника Ио". На этой диаграмме Ио-связанное излучение группируется в четырех определенных долготных интервалах. Эти группы и получили название "источники А, В, С и С'. Б-излучение составляет примерно 10% всей наблюдаемой декаметровой эмиссии Юпитера и представляет собой одно из наиболее мощных наблюдаемых радиосигналов в Солнечной системе. Тонкая структура частотно-временных спектров (динамических фурье-спектров), содержащих Б-всплески, очень разнообразна. Наиболее полное описание свойств динамических спектров Б-всплесков можно найти, например, в работах [2, 3]. Характерными свойствами динамического спектра Б-всплесков являются отрицательный частотный дрейф, величина которого примерно пропорциональна частоте излучения, и небольшой
1 Центральный меридиан — меридиан, проходящий через
пересечение плоскости "наблюдатель — ось вращения
Юпитера" и полусферы, обращенной к наблюдателю.
интервал частот, занимаемый всплесками, А/// ~ ~ 10-2 — 10-1. По характеру спектра S-всплески обычно делят на простые, появляющиеся на динамическом спектре в виде наклонных тонких линий с постоянной по времени полушириной полосы 10—20 кГц, и сложные, обладающие более сложной частотной структурой и более широкой, чем у простых всплесков, мгновенной шириной [4]. Однако исследования последних лет показали, что и простые всплески имеют внутреннюю структуру [4, 5]. В работах [4, 5], используя оригинальную процедуру улучшения временного разрешения исходных данных, авторы проанализировали запись S-сигнала, полученного в достаточно узком частотном диапазоне 26.3 ± 0.5 МГц с помощью высокочувствительной 640-дипольной антенной решетки Обсерватории Университета Флориды (США). Основные значительные результаты, касающиеся обнаружения и анализа свойств так называемых "субмиллисекундных" компонент S-сигнала заключались в следующем: (а) было показано, что при достаточном увеличении временного разрешения (больше 30 мкс) на графике зависимости энергии сигнала от времени четко прослеживается субмиллисекундная модуляция (субимпульсы с наиболее вероятным периодом порядка 90 мкс); (б) внутри наиболее мощных субимпульсов были обнаружены интервалы фазовой когерентности, что свидетельствует о строго когерентном механизме генерации излучения.
Данная работа также посвящена исследованию внутренней структуры простых миллисекунд-ных всплесков Юпитера ^-всплесков). В отличие от [4, 5], в данной работе для анализа использовался метод вейвлетного преобразования, который в силу своих специфических свойств в последние годы признан одним из наиболее эффективных математических инструментов для изучения тонкой структуры сигналов. Кроме того, в данной работе использованы уникальные экспериментальные данные, полученные с использованием новых измерительных технологий, в широкой полосе частот и с максимально достижимым временным разрешением.
2. ИЗМЕРЕНИЯ
В данной работе методом вейвлетного анализа были обработаны широкополосные данные, полученные на телескопе УТР-2 [6] с помощью приемного устройства прямой регистрации (WFR) [7], с динамическим диапазоном порядка 70 дБ, шириной полосы в режиме одного канала 25 МГц и частотой оцифровки сигнала 50 МГц. Новизна приемного устройства WFR состоит в том, что оно позволяет непосредственно зарегистрировать исходную реализацию без потери информации о
фазе сигнала, как это происходит, например, в числовых и акусто-оптических спектроанализато-рах. Кроме того, последующая обработка данных с WFR позволяет получить сверхвысокое временно) е разрешение (^1 мс). Анализируемые в работе сигналы получены в полосе частот от 18 до 30 МГц. Основная часть экспериментальных исследований выполнялась в период 1999—2002 гг. Наблюдения осуществлялись согласно диаграмме появления Ио-контролируемого S-излучения. Продолжительность суточного сеанса составляла несколько часов в ночное и дневное время. Общее количество сеансов наблюдений — около 30.
3. МЕТОД ВЕЙВЛЕТНОГО АНАЛИЗА
Для теоретического исследования и интерпретации свойств сигналов традиционно используется очень эффективный математический подход, основанный на преобразовании Фурье. Но для нестационарных (спорадических) процессов, какими являются декаметровые S-всплески, фурье-анализ не всегда позволяет получить полную информацию о тонких особенностях спектра. В этом случае основной недостаток фурье-метода заключается в том, что его анализирующая функция покрывает всю временную ось, и в силу соотношения неопределенности невозможно достичь одновременно хорошей локализации сигнала как в частотной так и во временной областях. С этой точки зрения, развитый в последнее время аппарат вейвлетного преобразования с анализирующей функцией, хорошо локализованной и во времени и по частоте, представляется более перспективным для обработки нелинейных, нестационарных процессов [8— 10]. Вейвлеты характеризуются своим временным и частотным образами. Временной образ определяется временной функцией Ф(£), имеющей вид локализованных во времени (или в пространстве) волновых пакетов с нулевым значением интеграла и обладающих возможностью сдвига по времени (в пространстве) и масштабирования (сжатию или растяжению). Кроме того, эта функция должна иметь ограниченный частотный спектр, который определяется ее фурье-образом:
Ф(и) = У ФС0е-г^сИ. (1)
Вышеуказанным условиям соответствует функция
= (V) • (2>
где Фо (^г) — функция из гильбертова пространства Ь2^), удовлетворяющая всем требованиям для функции Ф(£) и обеспечивающая смещение по
444
ЛИТВИНЕНКО и др.
оси времени £ — Ь и масштабирование -. Масштабный параметр а (а ~ 1/ш) задает ширину пакета, а параметр сдвига Ь — его положение на оси ¿. Вейвлетное преобразование одномерного сигнала в(£) состоит в его разложении по базису фа>ь
В зависимости от характера изменения параметров а и Ь вейвлетное преобразование делят на два основных типа — непрерывное и дискретное. При дискретном вейвлет-преобразовании параметры трансформации и сдвига а и Ь принимают дискретные значения, определяемые соотношениями а = ат = Ь = Ьп = тр-. Недостатком такого преобразования является дискретность параметров а и Ь, затрудняющая поиск тонких временных и частотных особенностей узкополосных импульсных сигналов, которыми являются Б-всплески де-каметрового радиоизлучения Юпитера. Для таких типов сигналов более эффективным является непрерывное вейвлет-преобразование, которое задается по аналогии с преобразованием Фурье путем вычисления вейвлет-коэффициентов Ш(а, Ь) по формуле
+те
ш(а,ь)= I в(г)фа,ь(г)си = (3)
+те
= / s(t)a
-1/2 Ф (
t-b V a
dt,
СЮ
P (t) = /
\W (a,t)\2
da.
Выбор функции материнского вейвлета Ф^) осуществляется для каждой конкретной задачи в зависимости от известных или предполагаемых свойств анализируемого процесса. Для построения вейвлетных спектров спорадических декаметровых S-всплесков Юпитера в работе использовался базис, полученный на основе хорошо локализованного, как в частотном, так и во временном пространстве, комплексного вейвлета Морле (Morlet wavelet) [11]:
Ф^) = e t2/2 (cos u0t + i sin u0t),
(6)
где масштабный параметр а принадлежит множеству положительных чисел Яф (а € Яф), па
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.