АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 12, с. 1008-1018
УДК 524.354.4-323.3
ОЦЕНКА РАССТОЯНИЙ ДЛЯ ПУЛЬСАРОВ ПО ЛИНИИ
ПОГЛОЩЕНИЯ 21 см
© 2014 г. А. Г. Рудницкий1*, Е. Р. Сафутдинов1, М. В. Попов1, В. В. Орешко2, В. А. Потапов2, Я. Гупта3, М. Секидо4, К. Такефуджи4
1Астрокосмический центр Физического института им П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
2Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмическиого центра Физического института им П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
3Институт фундаментальных исследований, Пуна, Индия
4Центр космических исследований в Кашиме Национального института информации и технологии коммуникаций, Кашима, Япония Поступила в редакцию 10.02.2014 г.; принята в печать 21.05.2014 г.
Измерены лучевые скорости по линиям поглощения 21 см в спектрах пульсаров В1937+21, .10332+5434, .10738-4042, .10835-4510, Л559-4438, Л645-0317, Л752-2806, Л825-0935, Л2157+4017. Выполнены оценки расстояний для 6 объектов. Наблюдения проведены на 34-м радиотелескопе Центра космических исследований в Кашиме (Япония) и на Большом телескопе метрового диапазон ОМДТ в Индии. Данные измерения находятся в хорошем соответствии с результатами других авторов.
DOI: 10.7868/80004629914120081
1. ВВЕДЕНИЕ
В течение всего времени исследования пульсаров уделялось пристальное внимание методам оценки расстояния и их расположения в Галактике. Происхождение, природа и эволюция космических объектов, вычисление светимости — все это непосредственно связано с определением расстояния до космического объекта.
Существует несколько методик определения расстояния до пульсаров: оценка расстояния по величине меры дисперсии с учетом модели распределения электронной плотности в Галактике, отождествление объекта с остатками вспышки сверхновой и определение параллакса объекта (методы РСДБ и хронометрирования), а также по анализу измеряемой лучевой скорости линии поглощения нейтрального водорода 21 см.
Метод определения расстояния до пульсара по мере дисперсии основан на том, что излучение пульсара носит импульсный характер и подвержено дисперсионному запаздыванию, которое можно измерить, определив различие моментов прихода импульса (МПИ) на двух частотах.
Различие моментов прихода импульса в этом случае выражается соотношением
Ai
DM / 1
D
1
(1)
'1 2 .
где ЭМ — мера дисперсии, Б = 2.41000 х х10-16 Гц — значение постоянной дисперсии, принятое по соглашению, и1, и2 — частоты, на которых измеряется момент прихода импульса.
По измеренному значению определяется величина меры дисперсии
DM = / nedl,
(2)
E-mail: almax1024@gmail.com
которая выражается в единицах пк/см3; здесь пе — концентрация электронов.
Зная меру дисперсии, можно вычислить расстояние до пульсара, если известно среднее значение электронной концентрации:
л 0М ^
(1=ш (3)
Чаще всего величину средней электронной концентрации принимают равной 0.03 см_3. Для более точных оценок расстояния используют всю совокупность наблюдательных данных о распределении
Таблица 1. Список наблюдавшихся пульсаров и их параметры (tobs — продолжительность наблюдений пульсара, l, b — галактические координаты пульсара, DM — величина меры дисперсии пульсара)
PSR J PSR В tobs, Ч 1 Ъ DM, пк/см~3
J1939+2134 В1937+21 3.3 57.51° -0.29° 71.0398
J0332+5434 B0329+54 1.2 145.0 -1.22 26.833
J0738—4042 B0736-40 1.1 254.19 -9.19 160.8
J0835—4510 B0833—45 1.1 263.55 -2.79 67.99
J1559-4438 В1556-44 1.2 334.54 6.37 56.1
J1645-0317 В1642-03 1.3 14.11 26.0 35.727
J1752-2806 В1749-28 1.2 1.54 -0.96 50.372
J1825-0935 В1822-09 1.2 21.45 1.32 19.38
J2157+4017 В2157+40 1.3 90.49 -11.34 70.857
Таблица 2. Результаты оценки расстояний (в последнем столбце указан диапазон расстояний ¿, взятых из каталогов [7, 10], и ¿ир — полученные нижняя и верхняя оценки расстояний для пульсаров)
PSR J PSR В d[ow, кпк dup, кпк d, кпк
J1939+2134 В1937+21 2.88(3.22) 5.76(4.97) 2.7-5.0
J0332+5434 B0329+54 1.01 (1.05) 2.39(2.52) 1.0-2.8
J0738—4042 B0736-40 1.57(1.61) - 1.6-2.1
J0835—4510 B0833—45 - - 0.28-0.61
J1559-4438 В1556-44 1.63(1.63) - 1.58-2.3
J1645-0317 В1642-03 2.36(2.36) - 2.9
J1752-2806 В1749-28 - - 0.1-1.53
J1825-0935 В1822-09 - - 0.3-2.67
J2157+4017 В2157+40 - 5.53(5.59) 2.9-5.61
электронной концентрации по Галактике [1, 2]. В том случае, когда пульсар обнаружен в остатке вспышки сверхновой, его расстояние равно расстоянию до этого остатка, и оно определяется с помощью соответствующих методик [3]. Ярким примером такого пульсара является пульсар в Крабо-видной туманности — В0531+21. Крабовидная туманность является остатком сверхновой SN 1054. В этом случае расстояние для пульсара равно расстоянию до этой туманности, и оно составляет 2 кпк.
Зная параллакс пульсара, достаточно просто вычислить точное значение его расстояния. По
сути, параллакс — это изменение видимого положения объекта относительно удаленного фона в зависимости от положения наблюдателя. Если угол параллакса P достаточно мал и выражен в радианах, а длина перпендикулярной к направлению на объект базы составляет B, то расстояние до наблюдаемого объекта d = B/P. Если параллакс выражен в секундах дуги, то расстояние вычисляется по соотношению d = 1/P в парсеках. Параллаксы измеряются методами РСДБ и по анализу вариаций моментов прихода импульсов (хронометрирование) [4, 5].
-80 -60 -40 -20 0 VLsr, км/c
20 40
-150 -100 -50
VLSR' км/с
50
0
Рис. 1. Пульсар B1937+21. Вверху — средний спектр, полученный на луче зрения, направленном на пульсар вне импульса пульсара (OFF). В центре — разность спектров, полученных на импульсе пульсара (ON) и вне импульса (OFF); стрелкой отмечена область, для которой производилась оценка расстояния до пульсара. Внизу — зависимость расстояния d от лучевой скорости Vlsr; сплошной линией изображена зависимость, полученная для набора галактических констант стандарта IAU, штриховой линией — зависимость, полученная для обновленного набора галактических констант.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
В этой работе мы воспользовались методом оценки расстояний до пульсаров по линии поглощения нейтрального водорода на волне 21 см. Нами был произведен анализ данных по наблюдению 9 пульсаров. Параметры наблюдений и информация об источниках приведены в сводной табл. 1. Галактические координаты и мера дисперсии пульсаров брались из существующих каталогов [6, 7].
Наблюдения пульсара В1937+21 проводились на 34-м антенне Центра космических исследований в Кашиме 5 и 6 декабря 2010 г. в рамках
Рис. 2. То же, что на рис. 1, для пульсара J0332+5434.
программы исследования свойств гигантских импульсов от этого пульсара. Суммарное время наблюдения составило около 3.3 ч. Ширина полосы составляла 32 МГц, центральная частота наблюдения — 1405 МГц. Данные записывались в формате K5/VSSP с 2-битным кодированием сигнала [8].
Другая серия наблюдений 8 пульсаров производилась на радиотелескопе ОМДТ 12 и 18 июля 2011 г. в рамках программы изучения эффектов рассеяния. Центральная частота наблюдений была 1412 МГц, за исключением пульсара Л825— 0935 — для него она составляла 1401 МГц, ширина полосы в первом случае —16.7 МГц, а во втором случае — 33.3 МГц. Так как линия 21 см попадает в указанные диапазоны наблюдений, мы использовали эти данные для оценки расстояний до наблюдавшихся пульсаров. К сожалению, данные, полученные на телескопе ОМНТ, имели гораздо меньшее число спектральных каналов (512) по сравнению с системой в Кашиме (6400), в виду чего спектральное разрешение в этих данных гораздо
Рис. 3. То же, что на рис. 1, для пульсара J0738-4042.
ниже, и не в каждом случае удалось обнаружить и идентифицировать узкую линию поглощения 21 см. Обработка и анализ данных были выполнены в Москве в Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук. При обработке данных использовалась методика когерентного удаления эффектов дисперсии [9].
3. ОЦЕНКА РАССТОЯНИЯ ПО ЛИНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ А = 21 см
Линия 21 см наблюдается в излучении, и ее профиль отражает наличие на луче зрения в заданном направлении областей концентрации нейтрального водорода, главным образом в спиральных рукавах Галактики. Этот профиль мы определяли по спектрам, вычисленным вне окна импульса (OFF) пульсара. Спектры, полученные в окне импульса пульсара (ON), могут демонстрировать линии поглощения, если пульсар располагается за областями концентрации нейтрального водорода. Линии
поглощения формируются в этих областях на фоне высокой яркостной температуры радиоизлучения пульсара. По значению лучевой скорости линий поглощения можно сделать заключение о местоположении пульсара. Для выделения линии поглощения вычислялась разность значений спектральной плотности в окне и вне окна импульса пульсаров.
Для оценки расстояния необходимо знать модель вращения Галактики, так как скорость источника вдоль луча зрения зависит от его расстояния. Неточности данного метода в первую очередь связаны с наличием пекулярных скоростей у облаков поглощающего газа и с их неоднородностью. К примеру, расстояния, измеренные по мере дисперсии, могут значительно отличаться от результатов, полученных путем оценки по линии 21 см [7, 10]. Длина волны 21 см, или частота 1420.406 МГц, соответствует переходу сверхтонкой структуры в атоме нейтрального водорода. Эта величина определяет положение нулевой точки в спектре пульсара, относительно которой производится вычисле-
Рис. 4. То же, что на рис. 1, для пульсара Л0835—4510. Видно, что в данном случае линии поглощения не наблюдаются.
ние наблюдаемой скорости:
^набл — С5
(4)
где у0 = 1420.406 МГц, Ау — разность между заданной частотой в спектре пульсара и у0, с — скорость света.
Наблюдаемая скорость складывается из нескольких компонент:
Унабл = УЬБК + У® + Горбит. + Увр. Земли. (5)
Для определения расстояния необходимо вычислить среднюю лучевую скорость, учитывая дополнительные поправки к скорости:
УЬ8Я = Унабл — (У(Э + Уорбит. + Увр. Земли) . (6)
Поправки к скоростям рассчитывались индивидуально для каждого источника на момент наблюдения [11, 12]. Также мы использовали допущение в ±7 км/с для
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.