АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 10, с. 920-925
УДК 524.354.4-325
О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СКОРОСТЕЙ
РАДИОПУЛЬСАРОВ
© 2007 г. И. Ф. Малов1, Ю. А. Бауров2
1 Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Пущино, Россия
2Центральный научно-исследовательский институт машиностроения, Королев, Россия Поступила в редакцию 05.12.2006 г.; принята в печать 05.04.2007 г.
Показано, что пространственные направления собственных движений 67 радиопульсаров распределены резко анизотропно. Эту анизотропию не удается объяснить структурой Галактики и различными видами движений Солнца. Пульсары с большими магнитными полями на поверхности обладают более высокими скоростями. У пульсаров с полем на поверхности В < 1010 Гс среднее значение скорости {V} = 108 км/с, у пульсаров с В > 1010 Гс — {V} = 340 км/с. Распределение скоростей пульсаров сильно отличается от максвелловского. Данные результаты должны быть учтены при выборе механизма, объясняющего величины наблюдаемых скоростей и их анизотропию.
PACS: 97.60.Gb, 97.10.Wn
1. ВВЕДЕНИЕ
Для лучшего понимания происхождения и эволюции радиопульсаров очень важно знать пространственные скорости этих объектов и их распределение. К сожалению, отсутствие у пульсаров спектральных линий, которые могли бы быть сопоставлены лабораторным стандартам, делает невозможной оценку их радиальных скоростей. Поэтому исследования по указанной проблеме, в основном, ограничены лишь тангенциальными скоростями, вычисляемыми по наблюдаемым собственным движениям источников в картинной плоскости. Дополнительная информация о скорости может быть получена по расстоянию пульсара от плоскости Галактики в предположении о том, что все пульсары рождаются в галактическом диске. Скорости пульсаров оказались очень высокими, и в ряде случаев они превышают 1000 км/с (см., например, работу [1] и приведенные в ней ссылки). Для объяснения таких высоких скоростей было предложено несколько механизмов, которые проанализированы, в частности, в обзоре Лаи [2]. Что касается распределения направлений скоростей в пространстве, то Хоббс и др. [3] провели статистический анализ 233 собственных движений радиопульсаров, вычисленных на основе изучения времен прихода импульсов (тайминга) 374 объектов [4]. В работе [3] сделан вывод об изотропном распределении скоростей пульсаров в Галактике. Однако значения собственных движений, полученных по таймингу, нужно использовать с боль-
шой осторожностью. В частности, наличие разных радиальных скоростей у исследуемых источников скажется по-разному на определяемых параметрах пульсаров, вычисляемых по временам прихода импульсов. Кроме того, ряд других членов, входящих в уравнение, которое используется для вычисления времени прихода импульса, известен с большой неопределенностью.
Как уже подчеркивалось, радиальные скорости пульсаров неизвестны. Однако и вычисленные в [4] собственные движения оказываются резко анизотропными. Действительно, используя выражение для угла между смещениями по прямому восхождению ßa = da/dt cos ö и склонению ßs = dö/dt
t- , ßa
i = arctg—, ßs
получим распределение направлений движения в картинной плоскости, изображенное на рис. 1. При вычислениях угла ( учитывались знаки ßa и ßs для определения квадранта, в котором находится этот угол.
Очевидно, что полученное распределение далеко от изотропного. Следует заметить, что ряд вычисленных в [4] значений ßa и ßs имеет ошибки, превышающие сами значения, и они должны быть исключены из дальнейшего анализа. Однако анизотропия при этом не исчезает. Поэтому полученный в работе [3] вывод об изотропии вызывает сомнения. По изображенному на рис. 1 работы [3] распределению движений пульсаров в Галактике
О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СКОРОСТЕЙ
921
N 50 45 40 35 30 25 20 15 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50
90° 275 пульсаров
60
270°
N 20 18 16 14 12 10 8 6 8 10 12 14 16 18 20
270°
Рис. 1. Распределение углов £ в картинной плоскости.
Рис. 2. Распределение углов £ для 67 пульсаров из каталога [5].
нельзя судить об изотропии этого движения. Оценка же трехмерных скоростей сделана в предположении об их максвелловском распределении, что, как мы увидим ниже, не соответствует реальному распределению.
В настоящей работе мы использовали для анализа каталог [5], в котором приведены последние надежные данные по собственным движениям и тангенциальным скоростям пульсаров. В основном, эти данные получены путем прямых интерфе-рометрических измерений (см., например, [6] или
[7]).
2. СОБСТВЕННЫЕ ДВИЖЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ
В каталоге Манчестера и др. [5] приведены данные об измеренных скоростях смещения пульсаров в мсек. дуги в год по прямому восхождению ца и склонению для 147 объектов. Следует ожидать, что при образовании пульсара его скорость в пространстве направлена случайным образом. Поэтому распределение направлений движения пульсаров должно быть изотропным. Проверить это предсказание можно, снова оценив угол £, под которым пульсар движется в картинной плоскости. Для такой проверки были использованы только те значения собственных движений, величина которых больше ошибки измерения. Кроме того, исключены пульсары, принадлежащие шаровому скоплению 47 Тукана.
Распределение углов £ оказалось резко анизотропным (рис. 2). Около двух третей объектов находится на этой диаграмме в левой полуплоскости.
Существует два преимущественных направления движения пульсаров в картинной плоскости. Аналогичный результат по меньшему числу источников был получен в работе [8].
Структура Галактики и характер ее магнитных полей не могут вызвать такую анизотропию. Не удается объяснить полученный результат и ускорением двойных систем за счет асимметричного рентгеновского излучения, связанного с отклонением структуры магнитного поля нейтронной звезды от дипольной [9].
Как подчеркивалось в работе [3], неопределенности в расстояниях до пульсаров вызывают, в среднем, ошибки в скоростях, значительно большие, чем неучет специфики кривой вращения Галактики и движений Солнца.
Таким образом, приходится предполагать существование неизвестных механизмов, действие которых приводит к преимущественным направлениям движения пульсаров. Вполне возможно, что такие механизмы имеют нелокальную, т.е. космологическую природу [8].
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН СКОРОСТЕЙ ПУЛЬСАРОВ
В каталоге [5] приведены определенные разными способами величины тангенциальных скоростей 147 пульсаров. На рис. 3 представлено распределение этих величин. Из рисунка видно, что представление одной гауссианой всей совокупности данных вряд ли можно считать удовлетворительным.
35 30 25 20 15 10 5
X2 = 6.11535
Центр Ширина Высота 58.697 161.64 26.848
147 пульсаров
■ ■ ■.
500
1000 1500 V, км/с
2000 2500
Рис. 3. Распределение тангенциальных скоростей для 147 пульсаров из каталога [5]. На графике приведены параметры вписанной в наблюдаемое распределение гауссианы.
0
1000
/с м/
к
100
10
.*•• 1* ж
* А
«л ,
• л
106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 В„ Гс
Рис. 4. Зависимость тангенциальной скорости пульсара от магнитного поля на поверхности нейтронной звезды [5].
10 8
* 6 4 2 0
В < 1010 Гс X2 = 2.48168
Центр Ширина Высота 97.557 75.279 8.7513
50 100 150 200 250 300 350 400 V, км/с
Рис. 5. То же, что на рис. 3, для 38 "раскрученных" пульсаров.
О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СКОРОСТЕЙ 14
12 10 8 "б 4
В > 1010 Гс х2 = 4.53564
Центр Ширина Высота 91.057 127.91 9.5698
пП.пП ■ _I
0 200 400 600 800 1000 V „ км/с
Рис. 6. То же, что на рис. 3, для 109 нормальных пульсаров.
2
0
14 12 10 8 6
4 2 0
7 6
5
: 4
3 2 1 0
7
6 5
4 3 2 1 0
Л
Гч|
50
100
150
200
-у
250
300
350
400
500 600 700 800 У„ км/с
900
Рис. 7. Представление распределения тангенциальных скоростей для нормальных пульсаров тремя гауссианами.
0
С точки зрения выбора модели ускорения пульсаров до наблюдаемых скоростей представляет интерес зависимость этих скоростей от магнитного поля Bs на поверхности нейтронной звезды.
Диаграмма Vt(В¡¡), по данным каталога [5], имеет вид, представленный на рис. 4. Этот рисунок показывает, что дисперсия скоростей у пульсаров с магнитным полем на поверхности Bs < 1010 Гс
Параметры быстродвижущихся пульсаров
№ п/п PSR У, км/с В8, 10"11 Гс Р, с
1 В0523+11 1101.99 1.63 0.354
2 В1508+55 1104.01 19.5 0.740
3 В1552—31 2840.93 1.82 0.518
4 В2011+38 2521.13 14.4 0.558
5 В2148+63 1113.38 2.56 0.380
6 В2224+65 1729.77 26 0.683
("раскрученных" пульсаров) и средняя величина скорости значительно меньше, чем у "нормальных" пульсаров (с Bs > 1010 Гс). Действительно, в первой группе из 38 объектов Утп — 13.73 км/с, Утах = 348.63 км/с при среднем значении скорости У) — 108 км/с. Для нормальных пульсаров (109 источников) Утш — 18.06 км/с, Утах — = 2840.93 км/с, У) — 340 км/с.
Принимая во внимание эти оценки, построим отдельно распределения скоростей для раскрученных и нормальных пульсаров (рис. 5, 6). Как следует из рис. 6, даже для выборки нормальных пульсаров распределение немаксвелловское и, скорее всего, оно представляется двумя или тремя гауссианами (рис. 7).
4. ОБСУЖДЕНИЕ МОДЕЛЕЙ УСКОРЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ
Во Введении говорилось о том, что в разное время было предложено несколько механизмов для объяснения пространственных скоростей пульсаров. Аррас и Лаи [10] рассмотрели следствия асимметрии в непрозрачностях и излучательных способностях разных сортов нейтрино во внешних слоях образующейся нейтронной звезды. Этот фактор может обеспечить скорости звезды порядка 1000 км/с, если магнитные поля внутри нее значительно превышают 1015 Гс. Существование подобных полей сомнительно даже для аномальных рентгеновских пульсаров и гамма-репитеров [11] и уж тем более для нормальных пульсаров. Поскольку обсуждаемый в работе [10] эффект пропорционален величине магнитного поля, то при обычных для радиопульсаров значениях ~1012 Гс можно ожидать скоростей лишь порядка 1 км/с.
Конвективная неустойчивость ядра предсверх-новой или его асимметрия [12—13] могут привести к скорости родившейся нейтронной звезды в разных моделях о
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.