научная статья по теме МОНИТОРИНГ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРА В КРАБОВИДНОЙ ТУМАННОСТИ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ Астрономия

Текст научной статьи на тему «МОНИТОРИНГ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРА В КРАБОВИДНОЙ ТУМАННОСТИ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ»

УДК 524.354.4

МОНИТОРИНГ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРА В КРАБОВИДНОИ ТУМАННОСТИ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ

©2011 г.

К. А

А. Д. Кузьмин

Ю. А. Беляцкий, Д. В. Думский, В. А. Извекова,

Тапаев, С. В. Логвиненко, Б. Я. Лосовский, В. Д. Пугачев

Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Учреждение Российской академии наук Физического института им. П.Н. Лебедева РАН,

Пущино Моск. обл., Россия Поступила в редакцию 09.08.2010 г.; после доработки 22.10.2010 г.

Приведены результаты многолетнего (2002—2010 гг.) мониторинга гигантских импульсов радиоизлучения пульсара PSR B0531+21 в Крабовидной туманности на низких частотах v = 44, 63 и 111 МГц. Наблюдения проводились на радиотелескопах БСА ФИАН и ДКР-1000 ФИАН. Гигантские импульсы анализировались с помощью специальной программы, определяющей величину рассеяния Tsc, отношение сигнал/шум и другие необходимые параметры посредством моделирования прохождения импульса через рассеивающую межзвездную среду. В течение указанного срока трижды были зафиксированы нестационарные процессы, выраженные в резком увеличения рассеяния. Анализ зависимости между вариациями величины рассеяния и меры дисперсии (по данным обсерватории Джодрелл-Бэнк) показал наличие высокой корреляции «0.9 на всех частотах. Показано, что в периоды аномального увеличения рассеяния и меры дисперсии показатель степени y частотной зависимости рассеяния rsc(v) ж v Y в Крабовидной туманности меньше общепринятых y = 4.0 для гауссовского и y = 4.4 для колмогоровского распределений. Предполагается, что такое отличие в сочетании с кусочно-степенным спектром связано с присутствием в туманности в направлении на пульсар плотного плазменного образования с развитой ленгмюровской турбулентностью. Величина напряженности магнитного поля в Крабовидной туманности по измерениям меры вращения в направлении пульсара оценивается в 100 мкГс.

1. ВВЕДЕНИЕ

Отличительной особенностью радиоизлучения пульсара в Крабовидной туманности является сильная переменность основных параметров импульсов, а именно: меры дисперсии, рассеяния, интенсивности и меры вращения. До сих пор проводились исследования лишь отдельных параметров и взаимосвязи между ними.

Ранкин и Каунсельман [1] наблюдали пульсар в Крабовидной туманности с мая 1969 г. по февраль 1971 г. в обсерватории Аресибо на нескольких частотах между 74 и 430 МГц. С целью интерпретации наблюдаемых характеристик рассеяния они предположили, что на пути радиоизлучения от пульсара в Крабовидной туманности к наблюдателю находятся два плазменных экрана. Так как степень рассеяния одним из экранов изменялась с характерным временем несколько недель, они пришли к выводу, что этот экран расположен в пределах Крабовидной туманности. Второй экран, который проявлял стабильные характеристики рассеяния, они связали с межзвездной средой или точнее с

рукавами Персея и Ориона Галактики. Они также обнаружили изменения меры дисперсии.

Исаакмен и Ранкин [2] продолжили серию указанных измерений до марта 1974 г. и также обнаружили изменения в характеристиках рассеяния и меры дисперсии. Анализ зависимости величины рассеяния от меры дисперсии показал, что степень рассеяния плохо коррелировала с мерой дисперсии. Они также отметили отсутствие заметной корреляции между рассеянием и плотностью потока.

Ранкин и др. [3] в период с 1971 по 1977 гг. провели также измерения фарадеевского вращения на 430 МГц.

В 1974 г. Лайн и Торн [4] на частоте 408 МГц с помощью радиотелескопа МК 1А обсерватории Джодрелл Бэнк зафиксировали десятикратное увеличение рассеяния, сопровождавшееся уменьшением интенсивности.

Аппарао [5] в 1974 г. выдвинул гипотезу о том, что пульсар ЫР 0532 затмевается водородным облаком с концентрацией атомов около 4 х 105 см_3.

Ванденберг [6] в 1976 г. на основе анализа VLBI-наблюдения пульсара в Крабовидной туманности на 144 МГц предложил аналогичную модель, в которой временные вариации рассеяния объясняются влиянием небольшого волокна, расположенного на луче зрения пульсара.

В октябре 1997 г. в процессе ежедневного мониторинга пульсара в Крабовидной туманности на 327 и 610 МГц с помощью 85-футового радиотелескопа обсерватории Грин Бэнк Бекер и др. [7] зарегистрировали скачкообразное увеличение меры дисперсии на «0.12 пк/см3, сопровождавшееся одновременным сдвигом по фазе всех компонент импульса и увеличением рассеяния. В дальнейшем, примерно через год, мера дисперсии пришла в первоначальное состояние. Авторы интерпретировали это событие как прохождение облака плазмы в форме треугольной призмы в картинной плоскости. Они также наблюдали дополнительное, смещенное по фазе от главных компонент радиоизлучение.

В процессе регулярного мониторинга пульсара в Крабовидной туманности в обсерватории Джодрелл Бэнк Лайн, Притчард и Смит [8] в августе—октябре 1997 г. также наблюдали это явление на 13-м радиотелескопе на частоте 610 МГц. Дополнительное радиоизлучение они интерпретировали как отражение (радиоэхо) от краев ионизированного облака, заслоняющего пульсар. Анализируя данные мониторинга с 1984 по 1998 гг., они обнаружили несколько случаев радиоэха. Авторы интерпретировали это явление как результат отражения радиоизлучения пульсара от ионизированных плотных и очень тонких чешуйчатых структур Крабовидной туманности, не различимых даже космическим телескопом Хаббла.

На возможность наличия в магнитосфере пульсара вблизи светового цилиндра плазменного образования высокой плотности указывал Лютиков [9].

Плазменный слой высокой электронной концентрации в Крабовидной туманности обнаружили Кузьмин и др. [10].

Бхат и др. [11] с помощью антенной решетки ATCA (Australian Telescope Compact Array) на частотах 1300 и 1470 МГц провели измерения гигантских импульсов (ГИ). Анализируя данные за 1996— 2006 гг., они обратили внимание на одновременное изменение меры дисперсии и меры рассеяния.

Более убедительные результаты, показывающие хорошую корреляцию между вариациями рассеяния и меры дисперсии, были получены в ПРАО АКЦ ФИАН Кузьминым и Лосовским совместно с Джорданом и Смитом из обсерватории Джодрелл Бэнк [12]. В 2006-2007 гг. в течение 200 дней наблюдалось явление увеличения рассеяния и меры

дисперсии. Увеличение меры дисперсии объяснялось нахождением на луче зрения облака плазмы.

В Пущинской радиоастрономической обсерватории мониторинг ГИ радиоизлучения пульсара в Крабовидной туманности на 44, 63 и 111 МГц ведется с сентября 2002 г. по настоящее время. Главной целью мониторинга являются комплексные исследования вариаций меры дисперсии, рассеяния на низких частотах, интенсивности и меры вращения радиоизлучения ГИ и определение связи этих вариаций с физическими процессами в Крабовидной туманности. Настоящая работа посвящается анализу этих результатов.

2. НАБЛЮДЕНИЯ И ОБРАБОТКА

Наблюдения ГИ проводились на радиотелескопах БСА ФИАН на частоте 111 МГц и ДКР-1000 ФИАН на частотах 44 и 63 МГц. В отдельные дни наблюдения проводились одновременно на БСА (111 МГц) и на ДКР-1000 (44 или 63 МГц). До 2006 г. регистрация импульсов осуществлялась на 128-канальном радиометре с полосой канала 20 кГц в полосе 2560 кГц.

Введение в эксплуатацию цифрового 512-канального анализатора спектра с полосой канала 5 кГц в апреле 2006 г. позволило вести наблюдения одновременно на частоте 111 МГц на БСА на этом приемнике и на низких частотах 44 или 63 МГц на ДКР-1000 в полосе приема 2560 кГц. В декабре 2008 г. заработал новый цифровой приемник на 44 Мгц. Наблюдения проводились одновременно на трех частотах — на 44 МГц на ДКР-1000 на этом приемнике, на 63 МГц на ДКР-1000 на АС-128 и на 111 МГц на БСА на другом цифровом приемнике. Запуск в 2009 г. комбинированного 512-канального цифрового приемника на 44 и 63 МГц дал возможность вести одновременные наблюдения на ДКР-1000 на 44 и 63 МГц и на БСА на 111 МГц на двух приемниках — цифровом и аналоговом.

Методика обработки наблюдений заключалась в том, что из числа компенсированных за дисперсию импульсов выбирались несколько наиболее сильных, которые подвергались обработке по специальной программе посредством свертки шаблона импульса /0(г) в виде гауссовской формы

р(*) = / /о(*М* - № (1)

с усеченной экспонентой

«(*) = |ехр(-/5С) для г ^ 0 (2)

10 для г < 0

(D

н

и «

(U о о £в Рм

120 100 80 60 40 20

0 180

160 140 120 100 80 60 40 20 60 50 40 30 20 10

(а)

(б)

J_I_I_l_

(в)

2520 2880 3240 3600 3960 4320 4680 5040 5400MJD 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Годы

Рис. 1. — Рассеяние импульсов в миллисекундах на частоте 111 МГц за период с сентября 2002 г. по июнь 2010 г. Вертикальными линиями показаны моменты сбоев периода пульсара. Относительная точность измерений составляет 10%. (б) — Приведенная мера дисперсии DM* = (DM — 56.7) х 1000. DM — мера дисперсии в пк/см3 по данным обсерватории Джодрелл Бэнк на частотах 610—1400 МГц за тот же период. (в) — Интенсивность в условных единицах сигнал/шум. Каждая точка соответствует среднему значению сигнал/шум из 5 сеансов наблюдений. Относительная точность измерений составляет 12%. По оси абсцисс — эпоха наблюдений в приведенных юлианских днях MJD = ^ — 2450000 с привязкой к годам.

c учетом дисперсии в полосе приема и постоянной времени приемника. Программа посредством аппроксимации расчетной функции F(t) к наблюдаемой определяет и выводит оптимальное значение Tsc, отношение сигнал/шум и другие сопутствующие параметры [14].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты вычисления рассеяния на частоте 111,87 МГц за период с сентября 2002 г. по июнь 2010 г. (MJD 2535-5358) показаны на рис 1а. В течение указанного периода наблюдались три

цикла резкого увеличение рассеяния. Первый наблюдался c декабря 2003 г. по август 2004 г. (MJD 2610—3200), когда рассеяние выросло с 10 до 40 мс, второй отмечен с августа 2006 г. по февраль 2007 г. (MJD 3960-4146), когда рассеяние выросло до 30 мс. Третий начался в феврале 2008 г. (MJD 4500) и характеризовался непрерывным ростом рассеяния, которое к концу 2009 г. (MJD 5195) приблизилось к 100 мс, достигло максимальной величины 110 мс в марте 2010 г. и в дальнейшем начало падать. Пульсар в Крабовид-ной туманности

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.

Показать целиком