Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской академии наук
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
профессор Г.С.Бисноватый-Коган, член-корреспондент РАН А.В.Гуревич,
доктор физико-математических наук профессор А.И.Цыган.
Ведущая организация: Научно-исследовательский
радиофизический институт
л л —
Защита состоится «/^Г» 2000 г. в часов на
заседании Диссертационного совета Д002.39.01 Физического института им. П.Н.Лебедева Российской академии наук по адресу: 117924, Москва В-333, Ленинский проспект 53, ФЙАН
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу, на имя Ученого секретаря совета.
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ФИАН
Диссертация в виде научного доклада разослана :< £ » 6іЬА> 2000 г.
Ученый секретарь Диссертационного Совета Д002.39.01 кандидат физ.-мат. наук
Г
Ковалев Ю.А.
Содержание
1 Общая характеристика работы 3
1.1 Введение............................................ 3
1.2 Актуальность темы................................... 5
1.3 Цель работы .............................................. 6
1.4 Основные положения, выносимые на защиту............. 7
1.5 Научная новизна......................................... 8
1.6 Научная и практическая значимость работы............ 9
1.7 Апробация работы.................................... 10
1.8 Публикации по теме диссертации...................... 10
1.9 Личный вклад автора................................. 10
2 Аппаратура и методика проведения наблюдений. 11
2.1 Наблюдения микроимпульсного излучения пульсаров ... 12
2.2 Методика исследования межи»л пул ьсного излучения .... 13
2.3 Многоканальные наблюдения пульсаров................. 14
2.4 Методика измерения межзвездного магнитного поля .... 15
2.5 Измерения вариаций потоков пульсаров................ 17
3 Исследование пространственной структуры областей излучения пульсаров 18
3.1 Поведение микроимпульсного излучения с частотой .... 21
3.2 Исследование структуры магнитосферы Р811 11334-16 по
3-х частотным наблюдениям с высоким временным разрешением .................................................. 23
3.3 Анализ межзвездных мерцаний для пространственного
разрешения магнитосферы пульсаров................... 27
3.3.1 Частотно-временные вариации интенсивности излучения пульсаров на неоднородностях межзвездной плазмы, их характерные масштабы..................... 27
3.3.2 Пространственная структура источников излучения из анализа временных вариаций интенсивности излучения на разнесенных долготах среднего профиля .................................................... 31
I
3.3.3 Структура источников излучения из анализа декорреляции динамических спектров пульсаров................. 36
3.4 Межимпульсное радиоизлучение пульсаров.................. 40
3.5 Основные выводы ........................................ 43
4 Исследование межзвездной среды с помощью пульсаров 45
4.1 Измерения межзвездного магнитного поля в направлении
пульсаров................................................ 45
4.2 Исследование вариаций потоков пульсаров на крупномасштабных неоднородностях межзвездной плазмы................... 48
4.2.1 Основные теоретические соотношения................. 49
4.2.2 Параметры мерцаний из наблюдений, структурный анализ.................................................. 51
4.2.3 Сравнение теории с экспериментом................... 54
4.3 Основные выводы ........................................ 60
Заключение 61
Список работ Смирновой тт* - ^ ; тации 63
I . ■ ' •
Цитируемая литератур/ 67
2
1 Общая характеристика работы
1.1 Введение
Пульсары, открытые в L967 г., являются уникальными астрофизическими объектами, излучающими в основном в радиодиапазоне. Это быстровращающиеся нейтронные звезды, обладающие сверхсильными электрическими и магнитными полями: ~ 1012 в/см и 1012 - 1013 Гс. Их светимость во много раз превосходит светимость Солнца и выяснение природы их мощного энерговыделения сразу привлекло внимание астрофизиков. Пульсар - это космическая лаборатория, в которой реализованы физические условия не достижимые в земных лабораториях, и поэтому их исследование охватывает целый ряд фундаментальных физических проблем: внутреннее строение и эволюция нейтронных звезд, физика твердого тела, физика плазмы, находящейся в экстремально сильном электромагнитном поле, детектирование гравитационных волн в тесных двойных системах. Наблюдаемые периоды вращения пульсаров заключены в интервале от 1.5 мс до 8 с. Открытие миллисекундных пульсаров в 1982 г. (Backer et al.) позволило начать прикладные исследования и поиск гравитационных волн. Долговременная стабильность вращения миллисекундных пульсаров (~ 10~19 с/с) может обеспечить реализацию стандарта частоты, превосходящего по своей точности наземную службу времени, основанную на атомных стандартах частоты. Это дает возможность создания на основе пульсаров новой высокостабильной шкалы времени (Ильин и др. 1984) и исследования с высокой точностью эффектов общей теории относительности (Taylor & Weisberg, 1989).
Радиоизлучение пульсаров показывает переменность с временными масштабами от десятков наносекунд (Moffett к Hankins, 1996) до нескольких лет (Kaspi к Stinebring. 1992; Stinebring, Smirnova et al., 1996). Большое значение для объяснения основною вопроса физики пульсаров -механизма их радиоизлучения имеют наблюдения с высоким временным •.'Зрешением, дающие информацию о коротко масштаб ной части этою -тервала, - микроструктуре. Интенсивность микроимпульсов может во . -того раз превосходить амплитуду среднего профиля, достигая ~ 100 Ян я гигантских импульсов пульсара в Крабе (Moffett к Hankins. 1996). ■■'70 совместно с их малой длительностью дает очень высокое значение
3
эквивалентной яркостной температуры ( 1037°К) и следовательно меха-
низм излучении должен быть когерентным. Определение минимального размера излучающего объема, энергии частиц и спектральных характеристик их излучения на основе двух или многочастотных одновременных наблюдений микроструктуры является очень важным для разработки теории механизма излучения пульсаров. Автором был сделан цикл работ [1-5,8-11, 13, 25) по измерению характерной продолжительности, статистическому анализу, спектральному поведению и исследованию других характеристик микроструктуры.
Как было показано (19, Hankins et al., 1991), анализ поведения микроструктуры на разнесенных частотах может быть эффективно использован для исследования структуры магнитного поля пульсаров. Кроме того, пространственная структура источников и геометрия магнитного поля может быть изучена на основе анализа частотно-временных вариаций интенсивности излучения пульсаров - межзвездных мерцаний |14,16,21,22,29).
Импульсный характер сигналов и высокая степень поляризации излучения пульсаров делает их идеальным инструментом для исследования межзвездной среды. Измерение поглощения на частоте 1420 МГц атомами нейтрального водорода в направлении пульсаров дает сведения о структуре облаков Н I и оценку расстояния до пульсаров. По измерению запаздывания времени прихода импульсов на разнесенных частотах можно получить значение меры дисперсии, DM, которая при известном расстоянии до источника позволяет определить среднюю плотность электронной составляющей межзвездной среды в различных направлениях Галактики. Исследование микроструктуры для этой цели дает наиболее высокоточные измерения DM [2,8,10). Измерение фарадеевского вращения плоскости поляризации при распространении излучения от пульсаров к наблюдателю дает величину среднего по лучу зрения межзвездного магнитного поля (Hamilton & Lyne, 1987), что позволяет исследовать структуру магнитного поля нашей Галактики. Исследование вариаций частотно-временной структуры импульсных сигналов, обусловленных неоднородностями в межзвездном распределении электронной плазмы на луче зрения, позволяет исследовать пространственное распределение турбулентной среды в нашей Галактике, дает информацию
4
о спектре мощности флуктуаций электронной плотности в межзвездной среде. В настоящей работе автором изложены результаты исследования магнитосферы пульсаров и пространственной структуры источников излучения в основном методом межзвездных мерцаний (глава 3), а также исследование межзвездной среды на основе анализа дифракционных и рефракционных мерцаний пульсаров и на новой методике по измерению межзвездного магнитною поля (глава 4). Наблюдательные данные были получены на радиотелескопах ДКР-1000 и ВС А Пу щинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН (Виткевич, Калачев. 1965; Витке-вич и др., 1979), являющимися до сих пор одними из лучших в метровом диапазоне длин волн, а также на 300-м антенне Аресибо (Пуэрто-Рико) и 26-м и 45-м телескопах Грин Бэнк (NRAO, США).
1.2 Актуальность темы.
Хотя пульсары исследуются на протяжении 30 лет, к настоящему времени еще нет ясности, как работает пульсар. Основные модели, описывающие излучение, основаны на когерентном механизме излучения высокоэнергичных частиц из области полярной шапки (Blandford, 1975; Melrose, 1995). Однако различные модели дают разные локализации источников излучения: от излучения вблизи поверхности нейтронной звезды (Arons, 1979) до областей сравнимых с радиусом светового цилиндра (Kazbegi et al., 1991; Lyutikov et al., 1999) или на самом световом цилиндре (Ardavan, 1994). Поэтому локализация источников излучения, пространственное их распределение и структура магнитосферы пульсара являются ключевыми вопросами для создания адекватной модели механизма излучения пульсаров. В этой связи представляется очень актуальной возможность получения рекордного углового разрешения, недоступного наземным интерферометрам, с помощью исследования корреляции вариаций излучения от пространственно разнесенных источников в магнитосфере пульсара на неоднородностях межзвездной плазмы. Кроме того, исследование поведения микроимпульсов и субим-пульсов с частотой, как было показано в нашей работе [19] дает важную информацию о геометрии магнитного поля и областях излучения в магнитосфере пульсара.
Пульсары, являясь мощными источниками радиоизлучения очень ма-
лых угловых размеров (~ 10“6 угл.сек), являются очень хорошим инструментом для исследования свойств межзвездной среды. Изучение межзвездного магнитного поля представляет большой интерес для понимания физических процессов, ответственных за эволюцию и структуру межзвездной среды. Поскольку пульсары являются быстро движущимися объектами (скорости порядка сотен км/сек), то проводя с их помощью высокоточные измерения магнитного поля в разных направлениях Галактики, можно исследовать его мелкомасштабную структуру, которая к настоящему времени практически не изучена.
Исследование дифракционных и рефракционных мерцаний пульсар-ного радиоизлучения является мощным методом для изучения спектра турбулентности межзвездной плазмы и пространственного распределения турбулентных облаков в нашей Галактике. Поэтому экспериментальные данные и развитие теории в этом направлении представляют большой интерес. Определение расстояний до пульсаров на основе статистической модели распределения турбулентной плазмы в нашей Галактике (Taylor & Cordes, 1993) может давать значительные ошибки (3-^ 10 раз), поэтому очень важно знать реальное распределение турбулентной плазмы в направлении пульсаров. Нами предложен новый подход к определению расстояний до пульсаров на основе анализа их рефракционных и дифракционных мерцаний [39]. Знание параметров межзвездной плазмы важно также для учета ее влияния при космической и наземной интерферометрии для исследования как галактических, так и внегалактических источников.
1.3 Цель работы
Работа имеет две основные цели:
1) получение новых данных о пространственной структуре областей излучения пульсаров и их локализации на основе экспериментальных исследований: разрешения пульсарной магнитосферы из анализа межзвёздных мерцаний, поведения микроструктуры и субимпульсов с частотой, анализа излучения в широкой области долгот;
2) Получения новых данных о магнитном поле, спектре флуктуаций плотности межзвездной плазмы и распределении турбулентности в различных направлениях нашей Галактики на основе радиопросвечивания
6
- Київ+380960830922