АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 92, № 11, с. 943-952
УДК 524.354.4
ОСОБЕННОСТИ ПУЛЬСАРОВ С КОРОТКИМИ И С ДЛИННЫМИ ПЕРИОДАМИ
© 2015 г. А. А. Логинов, И. Ф. Малов*
Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Пущино Московской. обл., Россия Поступила в редакцию 15.04.2015 г.; принята в печать 13.05.2015 г.
Проведен сравнительный анализ характерного времени, в течение которого выключается наблюдаемое радиоизлучение пульсаров (доля нуллингов), а также поляризационных параметров и остаточных уклонений во временах прихода импульсов для пульсаров с периодами Р > 0.1 си Р < 0.1 с. Показано, что для первой группы пульсаров чем больше впрыскиваемая в магнитосферу энергия из внутренних слоев нейтронной звезды, тем меньше доля нуллингов; во второй группе нуллинги вообще не наблюдаются. Оказалось, что переключения мод тоже наблюдаются только у пульсаров с длинными интервалами между импульсами (Р > 1 с), и у многих объектов они коррелируют с наличием нуллингов. Степень поляризации пульсаров растет с уменьшением периода, и в объектах с Р < 0.1 с она систематически выше, чем в долгопериодических пульсарах. Относительные уклонения моментов прихода импульсов в среднем в несколько раз меньше у пульсаров с Р > 0.1 с. Наблюдаемые отличия в параметрах пульсаров с короткими и с длинными периодами могут быть объяснены в предположении, что у пульсаров с Р < 0.1 с излучение генерируется вблизи светового цилиндра.
DOI: 10.7868/80004629915110067
1. ВВЕДЕНИЕ
В работах [1,2] было показано, что одиночные радиопульсары образуют в фазовом пространстве главных компонент два кластера. Один из них образован объектами с короткими периодами (Р < < 0.1 с), для другого характерны длинные периоды (Р > 0.1 с). Анализ параметров этих двух групп пульсаров [3] выявил их различные распределения и отличающиеся зависимости между ними. Однако в работе [3] не были исследованы некоторые наблюдаемые особенности радиопульсаров (нуллинги, поляризационные характеристики, переключения мод, времена прихода импульсов). Детальный анализ этих особенностей может дополнить информацию о физических причинах различия пульсаров с короткими и с длинными периодами и прояснить возможные механизмы их излучения. Этой задаче и посвящена настоящая работа.
2. НУЛЛИНГИ
В радиоизлучении пульсаров наблюдаются периоды молчания — внезапного пропадания импульсов с последующим возобновлением их регистрации. Природа этого эффекта, получившего название "нуллинг", до сих пор остается неизвестной.
Наиболее полный список пульсаров с замеченными нуллингами содержится в работе [4]. Ее авторы обнаружили корреляцию частоты появления нуллингов NF (null fraction) с характеристическим возрастом пульсара
P
Т =
2dP/dt'
(1)
E-mail: malov@prao.ru
Уже неоднократно подчеркивалось (см., например, [5]), что характеристический возраст для основной массы пульсаров может заметно (до нескольких порядков величины) отличаться от их реальных возрастов. Обнаруженная в [4] корреляция между NF и т может означать, что на самом деле существует корреляция временной доли молчания пульсара с периодом Р или со скоростью его увеличения йР/дй. Что касается зависимости от периода, то авторы работы [4] такой зависимости не обнаружили. Действительно, если использовать их данные, то получим диаграмму NF(P), представленную на рис. 1. Проведенная на нем прямая описывается уравнением
№[%] = (2.77 ± 4.47)Р[с] + (16.58 ± 5.97) (2)
при коэффициенте корреляции, равном 0.08, т.е. зависимости не видно. Однако этот вывод каса-
%
100 -
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Р, с
Рис. 1. Диаграмма "доля обнаруженных нуллингов — период" для 69 пульсаров по данным работы [4]. №, %
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
¿Р/йг, 10-15
Рис. 2. Зависимость частоты нуллингов от производной периода.
ется только выборки пульсаров, для которых обнаружены нуллинги. Оказалось, что нет ни одного пульсара с периодом меньше 0.1 с, у которого бы наблюдались выключения излучения.
Независимость доли нуллингов от периода и обнаруженная корреляция с характеристическим возрастом означает, что существует связь между
NF и производной периода. Это хорошо видно на рис. 2. Доля нуллингов уменьшается с ростом йР/йй экспоненциально:
ырря = (».11*^1,^(5^^). о»
На рис. 2 производная периода умножена на
(%)
3Г
-2_|_|_|_|_|_|
-18 -17 -16 -15 -14 -13 -12
\gidPldt)
Рис. 3. Зависимость доли нуллингов от производной периода в логарифмическом масштабе.
1015. В логарифмическом масштабе зависимость NF(dP/dt) представлена на рис. 3. Проведенная на нем прямая описывается уравнением
(Р
1ёЫР[%] = (-0.40 ±0.31) 1ё—- (4)
(И
- (5.23 ± 4.58)
при коэффициенте корреляции, равном 0.36.
Аналогичная тенденция может быть обнаружена по данным работы [6]. В ней приведена последовательность радиопульсаров с увеличивающимся временем нуллингов. В пульсаре В0833-45 ((1Р/(И — 1.25 х 10"13) нуллингов нет. В PSR Л641-68 ((1Р/(И — 1.7 х 10"15) нуллинги занимают примерно половину времени наблюдений. Тран-зиент Л1647-3607 (йР/(Ь — 1.29 х 10"16) характеризуется цугами по 5—10 импульсов и длительными периодами молчания. Наконец, RRAT Л1226—32 излучает отдельные импульсы, и для него производная периода пока не определена.
По существу наблюдаемая зависимость означает, что чем большая мощность
(Р
<Ш
~Ж
4-/Г /■
(И
Р3
профилей Ж10 по уровню 10%, можно вычислить плотности потока в импульсе:
<5 )Р
Бр —
^10
(6)
(5)
где I — момент инерции нейтронной звезды, впрыскивается в магнитосферу пульсара, тем стабильнее его излучение (меньше NF). Это утверждение можно проверить по наблюдаемой интенсивности импульсов. Используя приведенные в каталоге [7] средние за период плотности потока <Б) и ширины
Действительно, оказалось, что интенсивность в импульсе больше в пульсарах с короткими нул-лингами (рис. 4). Проведенная на рис. 4 прямая описывается уравнением
^ 5р[мЯн] — (-0.34 ± 0.19) №[%] - (7)
- (3.73 ± 0.20)
при коэффициенте корреляции, равном 0.50.
В рамках наших представлений об отличающихся локализациях формирования излучения и разных механизмах его генерации можно объяснить отсутствие нуллингов в пульсарах с Р < 0.1 с следующим образом. Резкие изменения интенсивности излучения вблизи светового цилиндра вызываются флуктуациями числа частиц и удаленности от светового цилиндра, т.е. флуктуациями величины
Г= (1-г/гьс)1/2' (8)
представляющей собой лоренц-фактор частиц, вращающихся твердотельно вместе с магнитосферой. Здесь
пс = f (9)
— радиус светового цилиндра, на котором линейная скорость вращения сравнивается со скоростью света.
5р, мЯн
-2
1 0 1
(%)
Рис. 4. Зависимость плотности потока в импульсе на частоте 1400 МГц от доли нуллингов.
Ь, %
Рис. 5. Зависимость степени линейной поляризации на волне 20 см от периода для 209 пульсаров с Р > 0.1 с.
Разумно ожидать, что вблизи светового цилиндра всегда присутствуют излучающие частицы
и не бывает полного выключения излучения. У пульсаров с длинными периодами для генерации излучения должно осуществиться несколько про-
цессов, каждый из которых сильно нестационарен. Нестационарно происходит вырывание частиц с поверхности нейтронной звезды [8], и изменяется со временем эффективность каскадного рождения вторичной электрон-позитронной плазмы, что при-
Ь, % 100
80 60 40 20 0
(а)
0.04
100 г
90 -80 -70 -60 -50 -40 30 20 10
0.05 (б)
0.06
0.07 0.08 0.09
0.05
0.06
0.07 Р, с
0.08
0.10
0.09
0.10
Рис. 6. Зависимость степени линейной поляризации на волнах 20 см (а) и 10 см (б) от периода для пульсаров с Р < 0.1 с.
водит к флуктуациям ее концентрации и лоренц-факторов. От этих параметров зависят инкременты возникающих в магнитосфере неустойчивостей и коэффициент трансформации энергии волн в наблюдаемое излучение. Эффективность всех этих процессов значительно уменьшается с ростом периода [9]. Вероятность того, что совокупность всех факторов, приводящих к резкому уменьшению интенсивности результирующего излучения, у долго-периодических пульсаров значительно выше. Естественно, чем выше энергия, впрыскиваемая в магнитосферу, тем меньше такая вероятность. Следствием этого и является наблюдаемая корреляция между ЫР и йР/йЬ.
Подтверждением описанных здесь представлений может служить тот факт, что интегральная светимость короткопериодических пульсаров в сред-
нем на порядок выше (у них выше йЕ/йЬ), чем у пульсаров с длинными периодами, и не зависит от периода [10]. В работе [10] было также показано, что светимости долгопериодических пульсаров уменьшаются с ростом периода (уменьшением йЕ/йЬ), что также согласуется с наблюдаемыми результатами по нуллингам.
3. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ МОД
Уже на начальных этапах исследования пульсаров было замечено, что средний профиль импульса конкретного пульсара, построенный по совокупности нескольких сотен индивидуальных импульсов, остается постоянным и является своеобразным портретом данного объекта. Оказалось однако, что в некоторых источниках наблюдаются два или даже три портрета, сменяющие друг друга с течением
Ьс, % 80 г
70 60 50 40 30 20 10 0 -10
0.5
1.0 1.5
Р, с
2.0
2.5
Рис. 7. Зависимость степени круговой поляризации на волне 20 см для 167 пульсаров с Р > 0.1 с.
времени. Это явление получило название "переключение мод". Авторы работы [4] обнаружили, что переключения мод происходят в некоторых пульсарах с обнаруженными нуллингами, и оба эффекта, по-видимому, тесно связаны. Перечислим те пульсары, у которых замечены и нуллин-ги, и переключения мод. К ним относятся РБР Л701-3726 (Р = 2.454 с), В0826-34 (1.849 с), Л703-4851 (1.396 с), В0809+74 (1.292 с), Л1658-4306 (1.166 с), Л1648-4458 (0.629 с), Л326-6700 (0.543 с). Подчеркнем тот факт, что средний период указанных пульсаров (1.499 с) больше 1 с.
Оказалось, что оба эффекта являются широкополосными, и они, по-видимому, связаны с крупномасштабными изменениями в магнитосфер-ных процессах. Одной из причин, приводящих к нуллингам и переключению мод, может быть перестройка функции распределения электронов в первичном пучке и во вторично
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.