Введение к работе
Актуальность работы. Радиоастрономические исследования пульсаров продолжаются вот уже на протяжении 35 лет от момента их обнаружения в 1967 году Э. Хьюишем и Д. Бэлл. Представляя собой вращающиеся нейтронные звезды с огромным магнитным полем, пульсары являются объектами пристального изучения. За это время были изучены многие свойства радиоизлучения пульсаров, такие как стабильный средний профиль, регулярный дрейф субимпульсов, эффект замирания излучения. Было написано много теоретических работ, в которых рассматривались вопросы механизма излучения пульсаров, внутреннего строения нейтронных звезд, их эволюции. Однако, до сих пор механизм радиоизлучения пульсаров остается неизвестным. Поэтому изучение таких коротких событий, как микроструктура импульсов, длительностью от десятков до сотен микросекунд, поможет лучше понять природу импульсного излучения пульсаров. Подобные исследования ранее были трудновыполнимы, поскольку для исследования микроимпульсов, в отличие, например, от исследования свойств средних профилей, нельзя использовать временное усреднение сигнала и необходимо проводить наблюдения только на очень крупных радиотелескопах, обладающих большой чувствительностью. Кроме того, эти наблюдения, также как и наблюдения гигантских импульсов, требуют регистрации и хранения больших объемов данных. Поэтому, в современном свете бурного развития вычислительных средств, быстрых аналогово-цифровых преобразователей и, наконец, с увеличением чувствительности радиотелескопов, это направление исследований является крайне важным.
Гигантские импульсы представляют собой уникальный феномен резкого увеличения интенсивности импульсов пульсаров, в сотни и тысячи раз превышающей интенсивность среднего профиля. Это явление обнаружено всего у нескольких пульсаров, поэтому его изучение является чрезвычайно интересным и важным для понимания его природы, тем более, что как оказалось, оно обладает рядом уникальных свойств, помимо огромной интенсивности, по сравнению с регулярным импульсным излучением. Изучение свойств гигантских импульсов поможет установить механизм как излучения собственно гигантских импульсов, так и обычного нормального излучения.
Пульсары являются галактическими объектами, импульсы радиоизлучения которых распространяются через межзвездную среду. Поэтому, можно сказать, что' пульсары являются зондами межзвездной среды, т.к. изучение наблюдаемых проявлений рассеяния радиоимпульсов на неоднородностях
ЗІ юс национальная]
І 6НБЛН0ТСКА с
плотности межзвездной плазмы, таких как мерцания, уширение импульсов, увеличение видимого углового размера, позволяет установить характеристики среды в направлении на пульсар, спектр ее турбулентности. Поэтому измерение параметров рассеяния также является важной задачей для определения свойств межзвездной среды.
Цели и задачи диссертационной работы:
Создание пакета программ для цифровой обработки пульсарных данных, полученных при наблюдениях в полной полосе приема.
Поиск гигантских импульсов от пульсара В1937+214, определение формы профиля, моментов прихода импульсов, распределение по энергиям и других свойств.
Исследование микроструктуры импульсов пульсаров с субмикросекунд-ным временным разрешением, проведение статистического анализа свойств обнаруженных микроимпульсов.
Измерение параметров рассеяния пульсаров В0329+54, В1641—45, В1508+55 и В1919+21 по наблюдениям на различных частотах.
Личный вклад автора в совместные работы. Все работы из списка публикаций по теме диссертации, за исключением работ [1,4] выполнены в соавторстве. Автор разобрался в методах цифровой обработки сигналов, им был'разработан пакет программ, который был использован при восстановлении данных во всех работах [1-9].
В работе [6], посвященной исследованию гигантских импульсов от пульсара В1937+214, автор разработал управляющий скрипт для поиска гигантских импульсов одновременно с построением спектров радиоизлучения на участке с импульсом и вне импульса, нахождением среднего профиля, дисперсии сигнала и др. Автор также принимал участие в обсуждении и интерпретации результатов.
В исследовании микроструктуры импульсов пульсаров с субмикросекунд-ным временным разрешением.[3,7-9] автор участвовал в обработке данных, в обсуждении, интерпретации и представлении полученных результатов.
Для измерения параметров рассеяния пульсаров [1,2,4,5] автором был написан пакет программ для анализа автокорреляционных функций частотной мерцательной структуры. Автор лично участвовал в наблюдениях пульсара В0329+54 на частоте 111 МГц на радиотелескопе БСА. Автором полностью была проведена обработка наблюдений, выполнен анализ результатов.
Научная новизна работы. Все основные результаты диссертации, выносимые на защиту, являются новыми и получены впервые. Они отражают решения поставленных задач и сведены в разделе "Основные результаты, выносимые на защиту".
Научная и практическая ценность работы. Разработанный пакет программ для цифровой обработки пульсарных данных может использоваться для восстановления данных, полученных при наблюдениях пульсаров в широкой полосе приема на разных радиотелескопах, при этом система регистрации может быть как S2, так и любой быстрый АЦП. В свете построения в последнее время большого числа пульсарных машин, дающих огромное количество потоков наблюдательных данных, такое программное обеспечение является просто необходимым.
Такой феномен, как гигантские импульсы, обнаружен только у семи пульсаров, но наиболее сильно они проявляются только у двух пульсаров, пульсара в Крабе и В1937+214. Эта область является малоизученной, поэтому определение параметров гигантских импульсов, проведенной в данной работе, позволяет лучше понять это явление, а кроме того, предоставляет обширный материал для теоретических построений, т.к. природа гигантских импульсов до сих пор неизвестна.
Исследованию микроструктуры импульсов пульсаров по сравнению с изучением средних профилей, дрейфа субимпульсов и др. также уделялось недостаточно внимания. Основные наблюдения проводились в метровом диапазоне длин волн, а наиболее изученной является микроструктура пульсаров В0950+08 и В1133+16. Природа микроимпульсов до сих пор до конца не ясна, не известен механизм их излучения, поэтому проведенное исследование микроструктуры нескольких пульсаров на высокой частоте 1650 МГц с суб-микросекундным временным разрешением поможет лучше понять условия формирования микроимпульсов, установить природу их излучения.
Измерение параметров рассеяния, таких как ширина полосы декорреляции и время мерцаний, является измерением характеристик межзвездной среды. Такие измерения вместе с измерениями других авторов на других частотах могут использоваться для построения спектра неоднородностей электронной концентрации межзвездной плазмы.
Апробация результатов. Все основные результаты и положения, выносимые на защиту, достаточно обоснованны в диссертации и положенных в ее основу публикациях. Результаты обсуждались на следующих семинарах и кон-
ференциях.
Школа-семинар молодых радиоастрономов "Современные методы обработки радиоастрономических наблюдений", Пущино (1996).
Международная конференция памяти И.С. Шкловского, С.А. Каплана и СБ. Пикельнера, Москва (1996).
XXVII Радиоастрономическая конференция, С.-Петербург (1997).
XXVI международная студенческая научная конференция "Физика космоса", Екатеринбург(1997).
XIII International Conference for Physics Students, Коимбра, Португалия (1998).
The European Workshop: 'The investigation and comparison of normal and millisecond pulsars", Пущино (1998).
IAU Colloquium №177 "Pulsar Astronomy — 2000 and Beyond", Бонн, Германия (1999).
Школа-семинар молодых радиоастрономов "Радиоастрономия на пороге XXI века —успехи и перспективы", Пущино (2000).
IAU Colloquium №182 "Sources and scintillations: refraction and scattering in radio astronomy", Гуян, Китай (2000).
Joint European and National Astronomical Meeting (JENAM), Москва (2000).
International Conference on Physics of Neutron Stars, С.-Петербург (2001).
Семинары Астрокосмического центра ФИ РАН.
Семинар Института радиоастрономии Национальной Академии наук Украины, Харьков (2003).
Отчетные сессии Астрокосмического центра ФИ РАН.
Отчетные конференции Радиоастрономического учебно-научного центра.
Основные результаты, выносимые на защиту
Наблюдаемая форма профиля гигантских импульсов миллисекундного пульсара В1937+214 представляет собой не собственную структуру, а результат рассеяния. Это следует из результата моделирования формы профиля с наилучшим согласием между видимой формой гигантских импульсов и профиля рассеяния модельного <5-импульса. Гистограмма распределения времен нарастания гигантских импульсов имеет доминирующий пик в интервале 15.625-31.25 не. Поэтому можно заключить, что истинная ширина гигантских импульсов пульсара В1937+214 меньше 15 не (временной интервал между отсчетами). Такая короткая длительность соответствует яркостной температуре Тъ > 1039 К, самой высокой из когда-либо наблюдаемых во Вселенной.
Впервые, определен обрыв в области низких энергий в интегральном распределении гигантских импульсов по энергиям пульсара В1937+214. Оценены минимальные пиковые плотности потока гигантских импульсов (реальные пороги) для главного импульса и интеримпульса. Они оказались различными и равными 16 и 5 Ян для главного импульса и интеримпульса, соответственно. Учитывая фактор направленности, определена частота появления гигантских импульсов, равная -26 гигантским импульсам за один оборот нейтронной звезды. Следовательно, феномен гигантских импульсов не является редким в радиоизлучении пульсара В1937+214.
Излучение гигантских импульсов пульсара В1937+214 происходит независимо от регулярного импульсного излучения. В периоде пульсара, в котором был обнаружен гигантский импульс, регулярное импульсное излучение также присутствует на нормальном уровне, ширина и амплитуда нормальных импульсов не меняется.
Впервые обнаружена микроструктура с широким временным масштабом у пульсаров В0833-45 (270 ± 10 мке), В1749-28 (80 ± 10 мке), В1929+10 (95 ± 10 мке) и В1933+16 (150 ± 10 мке) и подтверждена для пульсаров В0950+08 (135 ± 5 мке) и В1133+16 (430 ± 30 мке и 110±20 мке для первой и второй компонент профиля, соответственно). Для пульсара В1641—45 следов микроструктуры обнаружено не было. Кроме того, обнаружена микроструктура с узким временным масштабом у пульсара В0950+08 (14 ± 3 мке), второй компоненты пульсара В1133+16 (11 ±3 мке) и пульсара В1929+10 (9 ± 3 мке).
Неразрешенные наноимпульсы или импульсная структура с субмикро-секундным временным масштабом не были обнаружены в радиоизлучении пульсаров В0950+08, В1133+16 и В1929+10. Этот вывод следует из сравнения распределения амплитуд в окнах с импульсом и вне импульса. Это подтверждается полностью идентичными формами высокочастотных участков среднего кросс-спектра мощности для излучения в импульсе и вне его, а также короткомасштабными АКФ, которые показывают, что сигнал пульсаров неотличим от чистых шумов приемника на временных масштабах < 8 мкс.
Измерены время мерцаний и ширина полосы декорреляции для четырех пульсаров: В0329+54 на частотах 111 и 406.6 МГц, В1641—45 на частоте 1650 МГц, В1508+55 и В1919+21 на частоте 102.5 МГц. Метод, использованный для измерений, позволил реализовать беспрецедентно высокое спектральное разрешение 50-100 Гц. Оказалось, что все пульсары, кроме В1508+55, имеют более одного частотного масштаба. Полученные значения параметров рассеяния не противоречат в целом колмогоровскому виду спектра неоднородностей электронной концентрации.
