УДК 524.354.4-77
РЕЗУЛЬТАТЫ ТРЕХЧАСТОТНОГО ПАТРУЛИРОВАНИЯ ГИГАНТСКИХ ИМПУЛЬСОВ ОТ ПУЛЬСАРА В КРАБОВИДНОЙ ТУМАННОСТИ
© 2008 г. М. В. Попов1, В. А. Согласнов1, В. И. Кондратьев1'2, А. В. Билоус1'3, С. В. Сазанков1, А. И. Смирнов1, Б. З. Каневский1, В. В. Орешко4, Ю. П. Илясов4
1 Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
2Университет Западной Вирджинии, Моргантаун, США
3Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, Россия
4Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Пущино, Россия Поступила в редакцию 11.01.2008 г.; принята в печать 18.01.2008 г.
Проведено долговременное трехчастотное патрулирование гигантских импульсов от пульсара в Кра-бовидной туманности на 64-м радиотелескопе в Калязине. Общее время патрулирования составило 160 ч. Регистрировалась мощность сигнала одновременно на частотах 600, 1650 и 4850 МГц в полной полосе приема без компенсации влияния дисперсии радиоволн в межзвездной плазме. Всего было обнаружено 1117 и 352 гигантских импульса на частотах 600 и 4850 МГц, соответственно. Диапазон 1650 МГц, пораженный помехами, использовался только для отождествления событий, обнаруженных в других диапазонах. В результате анализа полученных данных показано, что интегральная функция распределения гигантских импульсов по энергиям на частотах 600 и 4850 МГц следует степенному закону вплоть до самых высоких энергий. Выявлена глубокая модуляция радиоспектров индивидуальных гигантских импульсов как на крупных частотных масштабах (Дv/v « 0.5), так и на малых (Дv/v « (2—4) х 10~3). Одновременное появление гигантских импульсов на долготах интеримпульса на высоких и низких радиочастотах указывает на их общее происхождение, несмотря на наблюдаемые различия в других параметрах.
РАС Б: 97.60.Gb, 95.85.Bh
1. ВВЕДЕНИЕ
Некоторые пульсары излучают радиоимпульсы, у которых пиковая плотность радиопотока в десятки тысяч раз превышает пиковую плотность потока регулярных импульсов. Такие мощные всплески получили название гигантских импульсов (ГИ). Хотя в последнее время появились сообщения об обнаружении аномально сильных индивидуальных импульсов от целого ряда пульсаров (в работе
Кузьмина [1] имеется библиография по этим исследованиям), свойства ГИ изучены в достаточной мере только у двух пульсаров: у пульсара в Кра-бовидной туманности В0531+21 (см., например, работу Кордеса с соавторами [2]) и у миллисе-кундного пульсара В1937+21 (см. наиболее позднее исследование Согласнова с соавторами [3]).
Основными свойствами ГИ являются: (1) высокая пиковая плотность потока радиоизлучения, превышающая в отдельных случаях миллион янских [2,
4]; (2) короткая длительность (обычно несколько микросекунд), сопровождающаяся наличием отдельных всплесков с длительностью короче 2 нс [5]; (3) степенной закон распределения по энергиям с показателем степени, зависящим от длительности импульсов и от частоты наблюдений [2, 6]; (4) высокая направленность излучения, которая следует из узкой долготной локализации ГИ; (5) высокая степень поляризации ГИ [4, 5, 7, 8]. Для ГИ от пульсара в Крабовидной туманности Хэнкинс и Эйлек [9] также обнаружили сложную структуру радиоспектра с характерными квазипериодическими полосами для ГИ на долготах интеримпульса, по крайней мере, на высоких частотах. Такие свойства указывают на то, что ГИ связаны непосредственно с фундаментальными квази-резонансными процессами генерации радиоизлучения в магнитосфере нейтронной звезды. Изучение свойств ГИ, таким
Энергия импульса, МЯн мкс 1000 г
100
10
0.1
0.01
0.001
X
ж [6] □ [10] ■ [11] о [4] • [2]
А Наст. раб. а [12] X [13]
\ ° □ к
\Л
10
100
1000 10000 Частота, МГц
Рис. 1. Энергия самых ярких ГИ, обнаруженных на разных частотах. Разными значками отмечены данные разных публикаций.
образом, дает ценную информацию для понимания природы механизма радиоизлучения пульсаров.
Обратимся, прежде всего, к основному свойству ГИ, которое и обусловило их название, к высокой интенсивности излучения. На рис. 1 мы представили выбранные из публикаций разных авторов измерения самых мощных ГИ, обнаруженных от пульсара в Крабовидной туманности на различных частотах. Так как при переходе к низким частотам из-за рассеяния радиоволн на неоднородно-стях межзвездной плазмы изначально короткие ГИ размываются и уменьшаются по пиковой плотности потока радиоизлучения, то мы представили на рисунке интенсивность, проинтегрированную по длительности импульса. Эта величина представляет собой спектральную плотность потока энергии импульса, но для краткости изложения мы будем называть ее просто энергией импульса и измерять в единицах МЯн-мкс (миллион янских за микросекунду). Таким образом, значения, приведенные на рис. 1, показывают, какую плотность потока радиоизлучения имел бы самый мощный из обнаруженных ГИ, если бы он имел длительность в 1 мкс. На самом деле, микросекундная длительность является вполне типичной для ГИ от пульсара в Крабовидной туманности на высоких частотах, где они не искажены влиянием рассеяния, хотя среди самых ярких ГИ часто встречаются примеры с длительностью меньше микросекунды [4]. Прямая линия на рис. 1 соответствует степенной зависимости по частоте с показателем степени —1.8.
Особенно сильные импульсы были обнаружены на частоте 408 МГц на радиотелескопе "Северный крест" в Медичине с использованием когерентного дедисперсора реального времени [13], и на частоте 430 МГц на 305-м радиотелескопе в Аресибо [2]. Эти импульсы имеют пиковую плотность потока в одну треть миллиона янских при наблюдаемой длительности в несколько сотен микросекунд. Кор-дес с соавторами [2] даже предложили рассматривать такие импульсы как представителей новой популяции сверхгигантских импульсов, так как они выпадали из общего распределения ГИ по пиковой плотности потока. Чтобы более подробно исследовать распределение по энергиям для высокоэнергичных ГИ, мы организовали долговременное патрулирование ГИ от пульсара в Крабовидной туманности одновременно на частотах 600, 1650 и 4850 МГц на 64-м радиотелескопе в Калязине [14].
В разделах 2 и 3 настоящей работы описывается методика проведения наблюдений и поиска гигантских импульсов. Раздел 4 содержит результаты патрулирования ГИ на разных частотах, обсуждается структура радиоспектров гигантских импульсов. В разделе 5 мы приводим распределение ГИ по энергиям на разных частотах, и в разделе 6 суммируем полученные результаты патрулирования.
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ НАБЛЮДЕНИЙ
Из-за дисперсии радиоволн в межзвездной среде, вызванной наличием в ней свободных электронов, низкие частоты запаздывают относительно высоких. Время запаздывания дается формулой [15]
__ОМ_
^ ~ 2.410 х 10_4(г/[МГц])2 ' ( '
где DM — мера дисперсии, которую мы приняли равной 56.76 пк-см_3.
Формула (1) дает связь между временем прихода импульса и частотой. Каждому моменту (отсчету по) времени можно сопоставить значение частоты. Хотя шкала частот получается при этом неравномерной, при Аv/v ^ 1 линейное приближение вполне достаточно для наших целей. В дальнейшем мы пользовались соотношением [15]
V[МГц] = и0 - 1.205 х 10
-4 V
DM
[с], (2)
где v0 — значение частоты для верхней границы полосы приема в МГц, а М — интервал времени от момента появления импульса пульсара на частоте Vo.
Бесконечно короткий импульс (дельта-функция), пройдя через толщу межзвездной среды,
1
3
Таблица 1. Параметры приемной системы
Частота, МГц Тэкв, Ян Полоса, МГц Д£ом, мс Емш, кЯн мкс Еиах, кЯн мкс N
600 1200 5 10 320 4000 1117
1650 950 80 8.5 40 - -
4850 600 200 0.8 5 100 352
прорисует на выходе форму полосы приемника, при этом его длительность будет соответствовать времени прохождения этой полосы. Форма и длительность реального импульса, наблюдаемого на частоте V в полосе Д V, будет сверткой исходной формы импульса и формы полосы приемника, взвешенной со спектром радиоизлучения пульсара. Существует несколько методов компенсации дисперсионного запаздывания, позволяющие восстановить исходную форму импульсов. Так как наши наблюдения были нацелены на измерение энергии очень сильных ГИ, то мы применяли прямое детектирование мощности сигнала во всей полосе приема без какой-либо компенсации. Для этой цели использовался многоканальный детектор, созданный в АКЦ ФИАН в Отделе наземных приемно-передающих комплексов. Прибор имеет 8 каналов, осуществляющих детектирование в полосе 30—1000 МГц и усиление продетектированно-го сигнала с постоянной времени 20 мкс. Данные с выходов многоканального детектора преобразовываются в 14-разрядный двоичный код с помощью платы АЦП L-761 и записываются на жесткий диск персонального компьютера под управлением программы "Ро"№еЮгарЬ". Записанный таким образом сигнал регистрирует не только мощность ГИ, но также содержит некоторую информацию о его длительности и спектре радиоизлучения. Этим обстоятельством мы воспользуемся при анализе полученных данных в подразделе 4.3.
Радиотелескоп в Калязине оборудован широкодиапазонным рупорным облучателем. Мы использовали одну из возможных комбинаций частот для одновременных наблюдений: 600, 1650 и 4850 МГц. Использовались штатные транзисторные малошу-мящие усилители. Принятый сигнал подвергался фильтрации, гетеродинированию и усилению на промежуточной частоте в фокальной кабине телескопа. Далее этот сигнал передавался по кабелям в лабораторное помещение, где он детектировался и оцифровывался. Основные параметры приемно-регистрирующей системы содержатся в табл. 1.
В табл. 1 для каждой частоты приведены значения эквивалентной шумовой температуры системы с учетом вклада от Крабовидной туманности,
который, в основном, и определяет чувствительность. Данные по спектру туманности взяты из работы Битенгольца с соавторами [11]. На частоте 4850 МГц телесный угол диаграммы направленности телескопа (3' в сечении по уровню двухкратного ослабления) составляет лишь 2/3 от телесного угла Крабовидной туманности, что обеспечивает некоторый выигрыш в чувствит
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.