УДК 524.354.4-77+524.572-658
ИЗМЕРЕНИЯ РАССЕЯНИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ
© 2007 г. А. Д. Кузьмин, Б. Я. Лосовский, К. А. Лапаев
Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева, Пущино, Россия Поступила в редакцию 17.08.2006 г.; после доработки 27.12.2006 г.
Проведены измерения уширения импульсов пульсаров рассеянием в межзвездной среде для наиболее полной выборки 100 пульсаров, охватывающей область галактических долгот от 6° до 311° и расстояний до 3 кпк. Проведен анализ зависимости рассеяния от меры дисперсии (rsc (DM) ж DMa), частоты (rsc (v) ж v Y), галактической долготы и расстояния до пульсара. Измеренная зависимость рассеяния от меры дисперсии в ближней к Солнечной системе области Галактики представляется степенным законом rsc (DM) ж DM2'2±01. На основе измерений на низких частотах 111, 60 и 40 МГц и литературных данных получены зависимости рассеяния от частоты (rsc (v) ж v y ) в наиболее широком из исследованных ранее интервале частот (с разносом больше 10 : 1) и не менее чем на 5 частотах. Показатель степени частотной зависимости y = 4.1 ± 0.3 соответствует нормальному распределению турбулентности неоднородной рассеивающей среды. На основе анализа зависимости рассеяния от расстояния до пульсара и галактической долготы показано, что до расстояний около 3 кпк уровень турбулентности C^ в среднем одинаков по всем направлениям и расстояниям, что свидетельствует о статистической однородности турбулентности рассеивающей среды ближней области Галактики.
PACS: 97.60.Gb, 95.85.Bh, 98.38.Am
1. ВВЕДЕНИЕ
Пульсары как точечные источники импульсного радиоизлучения, распределенные по всей Галактике, являются хорошим инструментом для исследования рассеяния радиоизлучения в межзвездной среде и свойств самой межзвездной среды. Рассеяние и обусловленное им многолучевое распространение проявляются в разных формах: мерцаниях интенсивности радиоизлучения, характеризуемых полосой декорреляции Аи, увеличении видимого углового размера источника радиоизлучения, характеризуемого углом рассеяния в, и увеличении длительности (уширении) импульсов г5С. Предметом настоящей работы являются измерения и анализ уширения импульсов пульсаров рассеянием г5С.
Проведено много измерений рассеяния радиоизлучения пульсаров. Однако существующие экспериментальные данные измерений параметров рассеяния радиоизлучения пульсаров весьма неоднородны, порой противоречивы, и поэтому их анализ существенно затруднен. Измерения выполнялись на разных частотах, что при недостаточном знании частотной зависимости измеряемых параметров характеризуется неоднозначностью приведения к одной частоте. Измерялись разные параметры рассеяния — полоса декорреляции Аи или уширение импульсов рассеяния — с неоднозначностью приведения к одному из них.
Не решен вопрос о частотной зависимости рассеяния импульсов пульсаров и, следовательно, о характере распределения неоднородностей межзвездной среды. По измерениям Бейкера [1] полосы декорреляции Аи пульсара PSR В0833-45 в интервале частот от 837 до 8085 МГц, частотная зависимость рассеяния аппроксимируется степенной функцией Аи х и7 с показателем степени 7 = 4.0 ± 0.2, соответствующим нормальному распределению неоднородностей межзвездной среды. Однако Кордес и др. [2] по литературным данным измерений частотной зависимости рассеяния 5 пульсаров определили среднюю величину 7 = 4.45 ± 0.3, что противоречит спектру с нормальным распределением, а согласуется с колмогоровским спектром, для которого 7 = 4.4. Такая величина спектрального индекса частотной зависимости 7 принята в каталоге 706 пульсаров Тэйлора и др. [3], содержащем наиболее полные данные по рассеянию пульсаров. Кузьмин и др. [4] по измерениям рассеяния 9 пульсаров определили среднюю величину 7 = 3.0 ± 0.7, а Бхат и др. [5] для 15 пульсаров получили 7 = 3.1 ± 0.1.
Большой разброс приведенных данных обусловлен, главным образом, значительными ошибками определения зависимости гж(и) при малом частотном разносе измерений тж. Так, например, Бхат и др. [5] определяли частотную зависимость
Tsc по измерениям на двух частотах 1175 и 1475 МГц с разносом частот всего в 1.25 раза.
Необходимы измерения в достаточно широком интервале частот. Измерения в интервале частот от 40 до 2228 МГц пульсара в Крабовидной туманности PSR B0531+21 [6], на основании которых была получена частотная зависимость Tsc ж
_3 О_|_0 2
ж V о.о±0.2, выполнены только для одного этого пульсара. Таким образом, вопрос о частотной зависимости рассеяния пульсаров и, следовательно, о характере распределения неоднородностей межзвездной среды, оставался открытым.
Наиболее полный свод данных измерений рассеяния радиоизлучения пульсаров приведен в каталоге пульсаров Тэйлора и др. [3], содержащем данные уширения импульсов рассеянием для 143 пульсаров. Однако данные этого каталога основаны не на прямых измерениях, а на компиляции результатов измерений разных наблюдателей, с разными параметрами (полосой декорреляции Д v или уширением импульсов Tsc), на разных частотах с пересчетом к частоте 1 ГГц c принятием показателя степени частотной зависимости y = 4.4, хотя, как упомянуто выше, по данным ряда анализов этой зависимости величина y существенно меньше. Кроме того, в большинстве случаев уширение импульсов рассеянием Tsc также определялось пересчетом измеряемой полосы декорреляции Дv из соотношения 2nTscДv = k с "рукотворно" заложенным коэффициентом пересчета k = 1.53 и разными способами обработки. Поэтому данные Tsc этого каталога неоднородны и недостаточно адекватны для сравнительного анализа.
Прямые измерения уширения импульсов рассеянием проведены лишь для небольшого числа пульсаров. Наиболее полными из них являются измерения 15 пульсаров на частоте 160 МГц [7] и 56 пульсаров на частоте 102 Гц [8].
Мы провели прямые однородные измерения с охватом большой области Галактики (6 < l < 311) единого параметра рассеяния — уширения импульсов Tsc — для наиболее полной выборки 100 пульсаров с одинаковой методикой обработки и анализа полученных данных.
На частотах наших измерений 111, 60 и 40 МГц уширение импульсов ограничивает возможности наблюдения импульсов пульсаров с большими мерами дисперсии. Поэтому выбор пульсаров ограничен мерой дисперсии до 200 пк см_3, и предметом исследования является ближняя область Галактики до расстояний около 3 кпк.
2. ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА
Измерения проводились с 2003 по 2005 гг. на частотах 111, 60 и 40 МГц на радиотелескопах БСА и ДКР Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН. Принималась линейная поляризация. Использовался 128-канальный приемник с полосой частот каналов А/ = 20 кГц или 1.25 кГц.
Наблюдения проводились в двух режимах: регистрация интегрального импульса за весь сеанс наблюдений или регистрация индивидуальных импульсов с выделением и анализом наиболее сильных индивидуальных импульсов. Продолжительность одного сеанса наблюдений составляла около 3 мин.
Временная привязка импульсов пульсара производилась по рубидиевому стандарту времени обсерватории, который в свою очередь сверялся по телевизионным сигналам с государственным эталоном времени. Последетекторная компенсация дисперсионной временной задержки производилась по каталожным эфемеридам пульсаров [3].
Исходя из условия, чтобы уширение импульсов рассеянием тж не превышало 1/2 периода пульсара Р, для измерений мы выбрали пульсары с мерой дисперсии DM < 10Р1/2 (где DM — в пк см 3, Р — в мс), за исключением нескольких пульсаров с гигантскими импульсами. Гигантские импульсы наблюдаются как очень редкие изолированные импульсы большой интенсивности, значительно превышающей средний уровень радиоизлучения пульсара. Это резко выделяет их из регулярной последовательности обычных импульсов, исключает влияние последующих импульсов и дает возможность измерения в условиях, когда рассеяние соизмеримо или больше периода пульсара.
Величина уширения рассеянием определялась аппроксимацией наблюдаемого импульса пульсара сверткой шаблона импульса пульсара с усеченной экспонентой
= I ехр(-^с) для г > 0,
[ 0 для г < 0,
представляющей рассеяние дельта-импульса на тонком экране [9]. Шаблон подвергался дополнительно дисперсионному уширению и уширению постоянной времени приемника. Величина уширения рассеянием тж, амплитуда, ширина и фаза шаблонного импульса пульсара являлись искомыми параметрами аппроксимации. Образец обработки показан на рис. 1.
Рассеяние пульсара PSR В0531+21 в Крабо-видной туманности, имеющее переменный характер, измерялось в периоды отсутствия присущих
Поток, отн. ед.
PSR B0531 + 21 МГц
100 150 Фаза, мс
Рис. 1. Пример измерения уширения импульсов рассеянием. Сплошной линией показан наблюдаемый импульс, пунктирной — модельно-рассеянный шаблон.
10000 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001
1
100 МГц
10
100 1000
DM, пк см-3
Рис. 2. Зависимость уширения импульсов рассеянием пульсаров от меры дисперсии Tsc (DM). Показана степенная зависимость Tsc (DM) = 60(DM/100)22±O1 .
данному пульсару значительных увеличений этого параметра. Таким периодом был, в частности, интервал М^ 3000—3173. В этот период по 260 измерениям т8С = 10 мс с а(т^) = 3 мс.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты измерений т8С всех 100 пульсаров приведены в табл. 1, где V — частота, т&с — измеренное уширение импульсов рассеянием, 5тж — ошибка измерения т8С, ^ т100 — логарифм уширения импульсов рассеянием (т^ — в с), приведенного к частоте 100 МГц.
4. АНАЛИЗ
Полученные данные однородных измерений большой выборки пульсаров дали возможность провести анализ зависимости этого параметра от меры дисперсии и частоты с большей информативностью, чем это сделано в предыдущих работах.
4.1. Зависимость рассеяния от меры дисперсии тж(ОМ)
Большая выборка 100 пульсаров и однородный характер измерений и обработки результатов обеспечивают высокую точность определения зависимости рассеяния от меры дисперсии тж (БЫ) а а БМа.
Измеренная зависимость уширения импульсов рассеянием (на частоте 100 МГц) от меры дисперсии т8С(БЫ) приведена на рис. 2. На рисунке показана также аппроксимация степенной зависимост
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.