АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 86, № 4, с. 370-378
УДК 524.354.4-77-56
ГИГАНТСКИЕ ИМПУЛЬСЫ ПУЛЬСАРА PSR B0531+21
НА ЧАСТОТЕ 112 МГц
© 2009 г. Т. В. Смирнова, ^ В. Логвиненко
Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Пущино Московской области, Россия Поступила в редакцию 25.06.2008 г.; принята в печать 02.07.2008 г.
Проведены 3 серии наблюдений (2005 и 2007 гг.) гигантских импульсов (ГИ) пульсара РБН В0531 + +21 на частоте 111.88 МГц. Рассеяние импульсов в этих сериях меняется в 1.7 раза: 10.6±0.5 мс в ноябре 2005 г., 18±1 мс в январе 2007 г. и 16±0.8 мс в июне 2007 г. Получены интегральные функции распределения пиковых интенсивностей ГИ для каждой из этих серий и показано, что распределение является стабильным, имеет степенной вид и одинаковый наклон (п = 2.3). Это свидетельствует о стабильности механизма генерации ГИ. Функции распределения, полученные по данным 2005 и 2007 гг., могут быть совмещены при коррекции интенсивностей на коэффициент, равный отношению эффективных ширин импульсов. Следовательно, сохраняется энергия в импульсе, т.е. увеличение интенсивности импульсов пропорционально уменьшению рассеяния. Рефракционные мерцания на низких частотах при измерениях с большим временным дискретом приводят к изменению числа ГИ, превышающих данную амплитуду на коэффициент, равный отношению средних плотностей потока пульсара в разных сериях наблюдений. Максимальная энергия зарегистрированного ГИ равна 2.5 х 107 Ян • мкс. Проведено сравнение со статистическими свойствами ГИ, полученными по наблюдениям на других частотах. Показано, что зависимость максимальной энергии ГИ от частоты в диапазоне 23 МГц—9 ГГц является степенной с показателем 2.2±0.2. Степень линейной поляризации ГИ на частоте 112 МГц не превышает 12%.
РАС Б: 97.60.Gb, 95.85.Bh
1. ВВЕДЕНИЕ Пульсар в Крабовидной туманности и миллисе-кундный пульсар В1937+21 генерируют наиболее мощные импульсы из всех известных пульсаров. Плотность потока их может превышать в сотни и тысячи раз средний поток пульсара. Впервые обнаруженные в 1968 г. [1], гигантские импульсы (ГИ) от РБН В0531+21 интенсивно исследуются на протяжении уже 40 лет [2—5], хотя механизм столь мощного их излучения еще не понят. ГИ от пульсара в Крабовидной туманности состоят из наложения чрезвычайно узких структур продолжительностью до 0.4 нс, пиковая амплитуда структур с наносекундным временным разрешением достигает 1000 Ян на частоте 5 ГГц, что дает чрезвычайно высокую яркостную температуру Тя = 1037 К [2]. Однако средняя ширина ГИ <2.5 мкс — минимальное уширение ГИ, измеренное на частоте 1.4 ГГц [6]. Одновременные наблюдения ГИ на 0.6 и 1.4 ГГц показали, что 70% импульсов видны на обеих частотах и их спектральный индекс находится в пределах от —2.2 до —4.9 [6], а средний спектральный индекс в диапазонах 600—111 и 600—23 МГц равен —2.7 ± 0.1 [4].
Одним из основных свойств ГИ является степенное распределение пиковых плотностей потока. Функция распределения исследовалась в основном на частотах >600 МГц [5—7], хотя первое распределение было получено на частоте 146 МГц [8] по наблюдениям на сравнительно небольших антеннах и при небольшой статистике импульсов. В этой работе мы представляем анализ вариаций интенсивности ГИ по наблюдениям, проведенным на частоте 111.88 МГц. Хотя ГИ существенно уширяются на столь низкой частоте за счет рассеяния излучения на плазменных неоднородностях Крабовидной туманности, рассеяние оказывается меньше периода пульсара, и сильные импульсы не перекрываются друг с другом, что дает возможность корректного определения их амплитуд и формы. Кроме того, плотность потока импульсного излучения пульсара существенно возрастает с уменьшением частоты с показателем ^3 (Б ж f-3), а уровень шумов, обусловленный, в основном, Крабовидной туманностью, возрастает гораздо слабее (Бс ж f-0-27 [9]), и наблюдения на крупной антенне на низкой частоте дают хорошую возможность для исследования свойств ГИ.
2. НАБЛЮДЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Наблюдения РБР В0531+21 проводились на антенне БСА Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН на частоте 111.88 МГц в ноябре 2005 г., конце января—начале февраля и июне 2007 г. от 7 до 10 дней в каждой серии. Эффективная площадь антенны порядка 20000 м2. Принималось линейно-поляризованное излучение. Использовался цифровой многоканальный приемник: 461 канал с полосой каждого канала А/ = = 5 кГц, т.е. общая полоса регистрации составляла 2.305 МГц. Время наблюдений в каждом сеансе составляло около 205 с, что соответствует времени прохождения источника по уровню 0.5 диаграммы антенны. На диск компьютера регистрировались зоны длиной, равной 31 периоду пульсара (порядка 1 с) по всем частотным каналам с дискретом 0.8192 мс. Время записи каждой зоны было синхронизовано с предвычисленным заранее топоцентрическим временем прихода импульса. Для временно)й привязки были использованы ежемесячные эфемериды для пульсара в Крабе обсерватории Джодрел Бэнк [10]. В каждом сеансе записывалось порядка 200 зон с разрывом примерно в 3 мс на перезапись каждой зоны на диск компьютера. Затем проводилось смещение сигнала во всех каналах, соответствующее дисперсионному сдвигу на данной частоте (приведение к самому высокочастотному каналу) и либо сложение его во всех частотных каналах для получения индивидуальных импульсов, либо запись выбранных сильных импульсов во всех частотных каналах для последующего анализа. При дисперсионном сдвиге проводилась интерполяция точек разрыва, так что мы имели непрерывную запись всех импульсов без последней зоны. Меры дисперсии для компенсации дисперсионного сдвига по частоте для каждого периода наблюдений брались из [10]. Дисперсионное размазывание сигнала в полосе одного канала на 111.88 МГц составляет 1.72 мс.
Используемый нами цифровой приемник не убирает постоянную составляющую, поэтому для проведения нулевой линии и оценки величины сигмы шумов в каждой зоне мы использовали следующую процедуру. Каждая зона разбивалась на 3 части, и в каждой из этих частей искалось минимальное значение из средних, вычисленных по интервалу в 40 точек (примерно период пульсара). Эти средние значения вычитались из соответствующих частей зоны. На интервале с полученным минимальным значением среднего вычислялось значение сигмы шумов (ам) для каждой зоны. В каждой серии наблюдений 2 сеанса было с существенно более длинной записью в 590 зон для регистрации Крабовидной туманности и калибровки шумов. Ширина диаграммы антенны
по уровню 0.5 на порядок превышает угловой размер Крабовидной туманности (5.5'). На рис. 1 показана зависимость среднего значения по шумам и величины ам, полученных по описанной выше процедуре для каждой зоны от времени. Кривая изменения интенсивности со временем соответствует прохождению Крабовидной туманности через диаграмму антенны. На частоте наблюдения пиковая плотность потока Крабовидной туманности составляет 1720 Ян. Соответственно пересчет компьютерных единиц в янские соответствует соотношению 100 ед. = 6.6 Ян.
ГИ после вычитания нулевой линии искались по критерию превышения амплитуды сигнала уровня 5аN в каждой зоне, причем к фазе максимума каждого найденного импульса прибавлялся интервал в 40 точек (примерно период пульсара), и эта фаза служила началом для поиска очередного импульса. Такая процедура была необходима для того, чтобы не получить ложные импульсы из-за длинного хвоста рассеяния. Поскольку фаза интеримпульса попадает на хвост рассеяния главного импульса, то при такой процедуре поиска мы пропускаем часть ГИ, реализующихся в фазе интеримпульса в том же периоде пульсара. Вероятность появления ГИ в фазе интеримпульса существенно меньше, чем в фазе главного импульса. Поскольку запись велась цугами длиной в 31 импульс пульсара, то разделение ГИ по фазе их появления излишне усложнило бы процедуру раздельного поиска их пиковых ин-тенсивностей. Поэтому поиск велся без учета фазы ГИ в цуге импульсов. Амплитуды найденных импульсов корректировались за диаграмный эффект путем умножения на соответствующий коэффициент. При этом ам во всех зонах приводилось к значению, определенному для зоны в максимуме диаграммы направленности. Для увеличения отношения сигнал/шум при поиске ГИ проводилось сглаживание массива по трем точкам.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Рассеяние и поляризация гигантских импульсов, средний профиль
На рис. 2 показаны две зоны с ГИ (вверху), полученные 28.11.05 и 30.01.07. Видно, что рассеяние существенно увеличилось в январе 2007 г. Для определения рассеяния ГИ в каждом сеансе наблюдений выбирались импульсы с амплитудами больше 10ам .Для каждого из них выделялось окно длительностью 210 мс таким образом, чтобы максимум амплитуды выбранных импульсов отстоял от начала окна на 40—50 точек, что соответствует 33—41 мс. Затем в эти импульсы (несглаженные) делалось вписывание свертка гауссовой функции с функцией рассеяния е-*/Тас, соответствующей
800 -
600 -
400 -
200 -
30000
25000 -
20000 -
15000
10000
5000 -
0 -
100
200
300 400 Время, с
500
600
700
Рис. 1. Зависимость от времени среднего значения интенсивности (внизу) и величины аы (вверху), определенных по шумовой части каждой зоны с помощью описанной в тексте процедуры. Интенсивность по оси ординат отложена в относительных (компьютерных) единицах.
фазовому экрану, с искомым параметром рассеяния т8С. Амплитуда импульсов нормировалась к единице. Параметрами вписывания были ширина, амплитуда и положение максимума для гауссовой кривой и т8С. Процедура вписывания завершалась при условии достижения минимума суммы квадратов уклонений вписанной кривой от экспериментальных точек. Примеры такого вписывания приведены на рис. 2 (внизу). Зона за 30.01.07 была сглажена по 3 точкам. Заметим, что полученная ширина гауссовой кривой соответствовала дисперсионному размазыванию сигнала в полосе одного канала (5 кГц). Этого и следовало ожидать, поскольку собственная ширина импульса, изме-
ренная на высоких частотах, существенно меньше 1 мс. Полученные для этих ГИ величины т8С указаны на рисунке. 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.