ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2004, том 30, № 5, с. 362-367
УДК 524.3-77
ПУЛЬСИРУЮЩЕЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ОТ ЗВЕЗДЫ AD Leo
© 2004 г. В. В. Зайцев1*, А. Г. Кисляков12, А. В. Степанов3, Б. Клим4, Е. Фюрст5
1Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород 2Нижегородский государственный университет 3Главная астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург
4Потсдамский астрономический институт, Германия 5Институт радиоастрономии им. Макса Планка, Бонн, Германия Поступила в редакцию 10.07.2003 г.
Проведен спектральный анализ квазипериодической низкочастотной модуляции микроволнового излучения вспышки от звезды AD Leo. Использованы результаты наблюдений вспышки 19 мая 1997 г. в частотном диапазоне 4.5—5.1 ГГц, полученные в Эффельсберге с временным разрешением 1 мс при общей длительности всплесковой фазы около 50 с. Анализ временно го профиля радиоизлучения проводился с помощью преобразования Вигнера—Виля, позволяющего получить динамический спектр низкочастотных пульсаций с достаточно хорошим частотно-временным разрешением. Обнаружено, что в спектре низкочастотной модуляции радиоизлучения звезды кроме шумовой составляющей присутствуют две регулярные компоненты: квазипериодическая составляющая, частота которой плавно уменьшается от Гц до ^0.2 Гц за время вспышки, и периодическая последовательность импульсов с частотой повторения около 2 Гц, которая остается приблизительно постоянной во время вспышечного процесса. Рассматривается возможность совместного влияния МГД- и LCR-колебаний источника радиоизлучения на процесс ускорения частиц в атмосфере звезды и даются оценки параметров источника, вытекающие из анализа спектров низкочастотной модуляции.
Ключевые слова: звезды — свойства, классификация; вспышки, радиоизлучение, низкочастотная модуляция, динамический спектр.
PULSATING MICROWAVE EMISSION FROM THE STAR AD Leo, by V. V. Zaitsev, A. G. Kislyakov, A. V. Stepanov, B. Kliem, and E. Fiirst. We have performed a spectral analysis of the quasi-periodic low-frequency modulation of microwave emission from a flare on the star AD Leo. We used the observations of the May 19, 1997 flare in the frequency range 4.5—5.1 GHz with a total duration of the burst phase of about 50 s obtained in Effelsberg with a time resolution of 1 ms. The time profile of the radio emission was analyzed by using the Wigner—Ville transformation, which yielded the dynamic spectrum of low-frequency pulsations with a satisfactory frequency—time resolution. In addition to the noise component, two regular components were found to be present in the low-frequency modulation spectrum of the stellar radio emission: a quasi-periodic component whose frequency smoothly decreased during the flare from ~2 Hz to ^0.2 Hz and a periodic sequence of pulses with a repetition rate of about 2 Hz, which was approximately constant during the flare. We consider the possibility of the combined effect of MHD and LCR oscillations of the radio source on the particle acceleration in the stellar atmosphere and give estimates of the source's parameters that follow from an analysis of the low-frequency modulation spectra.
Key words: stars: properties, classification; flares, radio emission, low-frequency modulation, dynamic spectrum.
ВВЕДЕНИЕ
Вспышечное радиоизлучение активного красного карлика AD Leo, удаленного от солнечной
Электронный адрес: za130@appl.sci-nnov.ru
системы на 4.85 пк и имеющего радиус К = 3.5 х х 1010 см (приблизительно вдвое меньше радиуса Солнца), неоднократно наблюдалось на крупных радиотелескопах в диапазоне частот 1.3—5 ГГц. Наблюдения выявили существование квазипериодических пульсаций с периодами 1 — 10 с на фоне
0 2 х 104 4 х 104 6 х 104 8 х 104 1 х 105
Номер отсчета
Рис. 1. (а) — Временной профиль радиоизлучения AD Leo на частоте 4.85 ГГц в правой циркулярной поляризации(19 мая 1997 г., ~18.945 UT). (б) — Динамический спектр низкочастотной модуляции (0—9 Гц) микроволнового излучения AD Leo, полученный с помощью преобразования Вигнера—Виля.
континуума (Гюдел и др., 1989; Бастианидр., 1990; Абада-Саймон и др., 1995; Степанов и др., 2001). Глубина модуляции в пульсациях может иногда достигать 50%, а температуры радиоизлучения находятся в пределах 1010—1013 K и свидетельствуют в пользу когерентных механизмов радиоизлучения звезды во время вспышек. Феноменологически пульсации радиоизлучения AD Leo в какой-то мере подобны пульсирующим всплескам радиоизлучения Солнца IV типа. Это вызвало попытки объяснения пульсаций AD Leo пульсирующими режимами плазменных неустойчивостей (Гюдел и др., 1989) и МГД-колебаниями магнитных арок в короне звезды. Частотный дрейф пульсаций от высоких частот к низким (Степанов и др., 2001) свидетельствует в пользу квазипериодической ин-жекции потоков быстрых электронов из нижних слоев атмосферы звезды в источник радиоизлучения. В работе Зайцева (1999) ускорение электронов связывается с электрическими полями, возникающими в результате конвективных движений в основаниях магнитных петель в атмосфере звезды, а модуляция ускорительного процесса обусловлена колебаниями магнитного поля петли. Однако остается неясным, какие конкретно типы собственных колебаний корональных магнитных петель (КМП) наиболее существенно влияют на модуляцию радиоизлучения.
В настоящей работе проведен анализ квазипериодической низкочастотной (НЧ) модуляции микроволнового излучения AD Leo во время вспышки 19 мая 1997 г. Мы применили преобразование Вигнера—Виля к временно)му профилю радиоизлучения, чтобы получить динамические спектры НЧ-пульсаций с хорошим спектрально-временным разрешением. Мы обнаружили две регулярные составляющие в НЧ-модуляции радиоизлучения: гармоническую составляющую, частота которой постепенно уменьшалась в течение вспышки, и периодическую последовательность
импульсов с приблизительно постоянной частотой повторения. В разделе 1 мы приводим результаты спектрального анализа временно го профиля микроволнового излучения вспышки 19 мая 1997 г. от AD Leo. В разделе 2 дана интерпретация динамических спектров и особенностей НЧ-пульсаций, модулирующих микроволновое излучение. В разделе 3 обсуждаются диагностические возможности НЧ-пульсаций на примере вспышки 19 мая 1997 г.
1. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ
Мы исследовали вспышку от красного карлика AD Leo, зарегистрированную 19 мая 1997 г. (18.945 UT) в диапазоне частот 4.6—5.1 ГГц с помощью 100-м радиотелескопа в Эффельсберге. На рис. 1а приведен временной профиль радиоизлучения на частоте 4.85 ГГц. Излучение с потоком в максимуме всплеска порядка 300 мЯн присутствует только в правой поляризации. Общая длительность всплесковой фазы около 50 с. Временное разрешение при цифровой записи составляет 1 мс. На временном профиле видны флуктуации потока радиоизлучения с глубиной модуляции от единиц до 10%, которые на динамическом спектре всплеска в диапазоне 4.6—5.1 ГГц имеют характер нерегулярных пульсаций с большой скоростью частотного дрейфа (Степанов и др., 2001). Предварительный анализ методом Фурье выявил в спектре пульсаций несколько максимумов, по которым, однако, трудно сделать какие-либо выводы о природе НЧ-модуляции (см. рис. 4 работы Степанова и др., 2001). Мы применили преобразование Вигнера—Виля (см. Вигнер, 1932; Виль, 1948) к временно му профилю всплеска, чтобы исследовать эволюцию НЧ-спектра во времени. Трансформация Вигнера—Виля есть фурье-преобразование симметричной формы локальной автокорреляционной функции аналитического сигнала, образованного исследуемым вещественным сигналом, при
Номер отсчета, 104
Рис. 2. Фрагмент динамического спектра низкочастотной модуляции, полученный для моментов времени, соответствующих спадающему участку временно го профиля первого импульса радиоизлучения. Видны почти эквидистантные, дрейфующие по частоте узкополосные сигналы с частотным расщеплением.
сдвиге реализации сигнала относительно самой себя (т.е. интегрирование ведется по "сдвиговому времени"). Это дает возможность определить распределение энергии сигнала на плоскости время—частота, т.е. динамический спектр сигнала. Хотя преобразование Вигнера—Виля известно уже более 50 лет, оно стало использоваться для обработки нестационарных сигналов относительно недавно (см. обзор Коэна, 1989).
На рис. 1б представлен динамический спектр НЧ-модуляции правополяризованного излучения. Из рис. 1б видно, что в области уменьшения интенсивности первого всплеска радиоизлучения появляются, кроме шумовой составляющей, узкополосные (Ау/у < 0.1) дрейфующие сигналы в диапазонах частот 0.5—2, 1.5—3, 2.5—4, 3.5—5 и 4.5—6 Гц. Сигналы расположены на динамическом спектре приблизительно эквидистантно с расстоянием между полосами около 1 Гц. Каждый из сигналов обнаруживает отрицательный частотный дрейф. Скорость частотного дрейфа вначале относительно велика (йи/йЬ -0.3 Гц/с), а затем резко уменьшается до йу/йЬ & — 0,05 Гц/с. На пологих участках динамического спектра сигналы показывают частотное расщепление, величина которого составляет 5у & 0.2—0.3 Гц.
Динамический спектр описанных выше дрейфующих НЧ-сигналов в увеличенном масштабе представлен на рис. 2. Аналогичные сигналы НЧ-модуляции возбуждаются также на спадающем участке второго импульса радиоизлучения, однако их параметры (длительность, скорость частотного дрейфа) несколько отличаются. Это
можно интерпретировать как "сбой" параметров НЧ-колебаний. Физической причиной этого явления может быть либо изменение параметров КМП после первого пика излучения (например, в результате испарения хромосферной плазмы), либо включение повышенного излучения из другой коро-нальной петли. Детальный анализ этого механизма выходит за рамки данной статьи.
2. ОБСУЖДЕНИЕ
Наблюдаемые НЧ-осцилляции, по-видимому, не являются собственными колебаниями 100-м радиотелескопа с периодом &1 с, поскольку имеется явная корреляция времени появления пульсаций с временным профилем радиоизлучения, а наблюдаемые частотный дрейф и частота пульсаций отличаются от собственной частоты радиотелескопа.
2.1. Интерпретация динамических спектров
Здесь мы определим, какие типы возмущений дают динамические спек
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.