УДК 524.354.4
ОСОБЕННОСТИ РАДИОПУЛЬСАРОВ С ИЗЛУЧЕНИЕМ ВНЕ РАДИОДИАПАЗОНА
© 2014 г. И. Ф. Малов1*, М. А. Тимиркеева21
1 Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Пущино Московской. обл., Россия
2Пущинский государственный естественно-научный институт, Пущино Московской. обл., Россия Поступила в редакцию 10.03.2014 г.; принята в печать 17.03.2014 г.
Проведен сравнительный анализ параметров 100 радиопульсаров, у которых зарегистрировано излучение вне радиодиапазона (he-пульсары), с параметрами источников, излучающих только в радиодиапазоне (n-пульсары). Анализ показал, что период he-пульсаров в среднем в несколько раз меньше, чем у n-пульсаров: (P) = 0.10 и 0.56 с, соответственно. Оказалось, что распределение пульсаров по величине магнитного поля на световом цилиндре для источников с высокоэнергичным излучением сдвинуто в сторону высоких значений поля относительно распределения объектов, излучающих только в радиодиапазоне. Средняя индукция поля на световом цилиндре для he-радиопульсаров (Blc) = 9 х 103 Гс, в то время как у основной массы радиопульсаров (Bic) = 56 Гс. Это свидетельствует о генерации нетеплового излучения на высоких энергиях в радиопульсарах на периферии их магнитосфер. Распределение скорости потери энергии вращения dE/dt у he-пульсаров
А/, dE\
оказывается равномерным и характеризуется более высоким средним значением I 35.53
чем у n-пульсаров 32.60^. Показано, что распределение he-пульсаров в пространстве
неоднородно — они образуют два удаленных друг от друга облака. DOI: 10.7868/S0004629914090047
1. ВВЕДЕНИЕ 2. АНАЛИЗИРУЕМЫЕ ВЫБОРКИ
В настоящее время известно более 2300 радио- , ,
1 „ гii Для последующего анализа были отобраны две
пульсаров, включенных в пополняемый каталог 111. „ п
tV группы изолированных нейтронных звезд. В одной
В основном, эти объекты излучают на радиоча- ,
стотах, однако порядка 100 источников зареги- из них наблюдается только импульсное радиоиз-
стрированы как пульсары и в других диапазонах. лучение, в другой - кроме радиоизлучения заре-
При этом в оптическом диапазоне наблюдается гистрировано рентгеновское или гамма-излучение.
довольно слабое излучение от десятка пульсаров, Проводилось сравнение параметрш, описываю-
тепловое и нетепловое рентгеновское излучение - щих физические условия в исследушых пуль-
от нескольких десятков объектов [2] и заметная сарах - периодов их производаых ^ташет^
эмиссия в гамма-диапазоне - для более чем сотни ск°р°стей потери энергии вращения и шггатаьк
пульсаров [3]. Для понимания места радиопуль- полей на поверхности нейтронной звезды и вблизи
саров с жестким излучением в общей популяции ее светового цилиндра. При этом из рассмотре-
пульсаров и прояснения механизмов излучения тех ния исключены пульсары, находящиеся в шаровых
и других прежде всего необходимо проанализи- скоплениях и в двойных системах, поскольку их на-
ровать отличие в наблюдаемых параметрах двух блюдаемые характеристики могут быть подверже-
групп объектов. Этой задаче и посвящена настоя- ны искажениям вследствие влияния других, окру-
щая работа. жающих их звезд. В результате для дальнейшего
--энализэ отобрано 52 радиопульсара с излучением
*E-mail: maiov@prao.ru вне радиодиапазона.
N 1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
884
356
20
5
38
0
-3
N 25
20
15
10
413
62
5
0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 Р (с)
22
15
1
1
N 800
700
600
500
400
300
200
100
0
713
436
149
11 13 9 17
"1 Г
346
71
14 5 6
-21 -19
N 20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
17 -15 -13 . йР
18
-11
-9
10
3
1
0 0
13
-21 -19 -17
0
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 Р (с)
Рис. 1. Распределения периодов для двух групп радиопульсаров: п (вверху) и Ие (внизу).
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
На рис. 1 и 2 даны распределения параметров для двух групп радиопульсаров, обозначенных как п ("нормальные") — объекты, излучающие только в радиодиапазоне, и Ие — объекты с жестким излучением.
В представленных распределениях намечается бимодальность — есть группы объектов со значительно меньшим периодом, чем у основной массы объектов. Средние значения равны (^ Р) = —0.25 ((Р) = 0.56 с) для п-пульсаров и (^Р) = —1.01 ((Р) = 0.10 с) для Ие-объектов, т.е. Ие-пульсары в среднем имеют в несколько раз меньшие периоды.
-15 . йР
-13
-11
Рис. 2. Распределения производных периода для двух групп радиопульсаров: п (вверху) и Ие (внизу).
Однако дисперсии значений таковы, что распределения перекрываются (среднеквадратичные уклонения равны соответственно 0.47 и 0.67).
В распределении ^ё"^") для Ье-пульсаров также намечается бимодальность, но средние значения оказываются очень близкими: < —-— > =
\ £Й /
= —14.71 (п-пульсары) и —14.10 (Ие-пульсары). Среднеквадратичные уклонения равны соответственно 1.24 и 1.28.
Средние значения магнитного поля на поверхности (рис. 3) оказываются равными около ((^Б3) = 12.0) для обеих групп, но в распределении Б3 для Ие-пульсаров выделяются миллисе-кундные источники с малыми магнитными полями
3
3
2
2
5
5
4
3
0
1
N 800
700
600
500
400
300
200
100
0
679
491
202
18 5 4 4 9
50
252
49
16 8 7 1
8
N 20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
9 10 11 12 13 14 lgBs (Гс)
18
i i 15
12
0 0 0 0
8 9 ^ 10 ' 11 12 lgBs (Гс)
13 14
Рис. 3. Индукция магнитного поля на поверхности нейтронной звезды: вверху — распределение для п-пульсаров, внизу — для Ие-пульсаров.
(<109 Гс). Формальные значения среднеквадратичных уклонений равны 1.40 (he) и 0.74 (n).
Сравнение распределений индукции магнитного поля на световом цилиндре B¡c показывает явную выделенность he-пульсаров (рис. 4). Магнитные поля для них в этих областях на 2 порядка превосходят поля n-пульсаров ((lgB¡c) — 1.75 (n) и 3.95 (he). Среднеквадратичные уклонения равны 1.16 (he) и 1.10 (n).
По-видимому, именно этот параметр является определяющим для наличия или отсутствия гамма-излучения. Вблизи светового цилиндра может стать существенным вклад синхротронного излучения вследствие появления у излучающих электронов заметного питч-угла Ф [4]. Мощность этого излучения[5]
_ 2е4Б2 sin2 Ф 5 3 т2с3
N 800
700 600 500 400 300 200 100
673
412
53
0
-2 -1 0
N
25 г
20 15 10 5 0
439
129
75
11 2
1 2 3 4 5 6 7 lg Blc (Гс)
22
13
0 1 2 3 4 5 6 7 ^ В 1с (Гс)
Рис. 4. Индукции магнитного поля на световом цилиндре: вверху — распределение для п-пульсаров, внизу — для Ие-пульсаров.
пропорциональна Б2, т.е. для второй группы она должна быть на 4 порядка выше. Здесь е — заряд электрона, т — его масса, 7 — его лоренц-фактор, с — скорость света. Частота в максимуме синхро-тронного спектра
0.9е!3 эш Ф
4nmc
тоже растет с увеличением магнитного поля, и при достаточно больших лоренц-факторах она может попадать в гамма-диапазон. Следует заметить, что формулы (1)—(2) описывают излучение единичного электрона, и количественные соответствия необходимо проверять для реальных распределений излучающих зарядов по энергии, которые до сих пор плохо изучены. Кроме того, подчеркнем, что протяженность магнитосферы может быть существенно больше, чем радиус светового цилиндра, если угол
7
7
4
4
5
3
2
2
3
1
1
N 500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
464
431
203
2
20
402
147
64
45
13
4
N 14
12
10
8
6
4
2
~1 I
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 ТР
(эрг/с)
12
33 34 35 36 37 38 39 40 ТР
1в т (эР„/с)
<ш
м
Рис. 5. Распределение lg
± 1.49 (п)и 35.53 ± 1.61 (Ив) .
между магнитным моментом и осью вращения нейтронной звезды мал (см., например, [6]).
Поскольку вся энергетика радиопульсаров связана с потерей ими энергии вращения
~Ж
А 2 тйР
47Г 21— _
р3
(3)
интересно сравнить распределения этого параметра для двух групп пульсаров (рис. 5). Выясняется, что для п-пульсаров такое распределение хорошо описывается гауссианой, в то время как Ие-пульсары показывают почти равномерное распределение. Оно оказывается сдвинутым в сторону более высоких значений. Для них среднее значение
на 3 порядка больше. Наряду с сильными магнитными полями на периферии магнитосферы
N 500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
430
288
116
52
3 5 10
292
126
45
82
-1.5-1.0-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
к1ыш 1400 (мЯн кпк2)
N 14
12
10
8
6
4
2
12
10
1 1
1
0
-2.0-1.5-1.0-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
К1ыш 1400 (мЯн КПК2)
Рис. 6. Распределение ^ Кытыоо ((^ Кыт 1400) = = 0.73 ± 1.29 (п) и 1.07 ± 0.08 (Ие)).
высокая скорость потери энергии вращения может быть признаком наличия у радиопульсара жесткого излучения.
Распределение каталожной условной радиосветимости
В-1ит = 5*1400Й2 мЯн кпк2
(4)
хорошо описывается гауссовской зависимостью для п-пульсаров (рис. 6). Что же касается Ие-пульсаров, то для них явно намечается бимодальное распределение. В формулу (4) входят два сомножителя: 51400 распределено почти по Гауссу (рис. 7), а вот й показывает двухгорбое распределение (рис. 8), т.е. Ие-пульсары разделены на две пространственные группы, расстояние между которыми составляет несколько килопарсек. Первая популяция удалена от нас на 0.2—0.6 кпк и находится, по-видимому, в рукаве Ориона, вторая — расположена на расстояниях от 2 до 18 кпк (при
9
6
4
5
5
3
2
2
0
N 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
00
-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
1ё ^1400 (мЯн)
7
7
5
4
2
2
1
1
Рис. 7. Распределение плотностей потока на 1400 МГц для Ие-пульсаров.
N 14
12
10
8
6
4
2
0
-0.75
10
12
11
-0.25 0.25 0.75 1.25 й (кпк)
1.75
8
5
4
3
1
Рис. 8. Распределение расстояний до Ие-пульсаров.
среднем значении 5.3 кпк) в удаленных от Солнца рукавах. Вписывание в распределение, представленное на рис. 8, одной гауссианы дает х2 = = 5.0, в то время как представление левой части убываюшей экспонентой, а правой — гауссианой соответствует х2 = 0.8. Таким образом, визуальный вывод о двухкомпонентности распределения на рис. 8 уверенно подтверждается и формальными методами.
Представляет интерес
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.