Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методика поляризационных измерений пульсаров на метровых волнах 33
1.1. Некоторые особенности радиоизлучения пульсаров 33
1.2. Радиотелескопы метровых волн ПРАО ФИАН 39
1.3. Аппаратура для регистрации излучения пульсаров 43
1.4. Метод измерений линейной поляризации радиоизлучения пульсаров с использованием эффекта Фарадея / 46
1.5. Методика обработки результатов наблюдений. Программа POLAR. Ошибки измерений 49
1.6. Критерии выбора пульсаров для поляризационных измерений 54
1.7. Содержание главы 1 57
ГЛАВА 2. Поляризация индивидуальных импульсов пульсаров на низких радиочастотах 72
2.1. Диаграммы статистического распределения по долготе степени и угла линейной поляризации индивидуальных импульсов пульсаров 72
2.1.1. Описание и обсуждение результатов измерений.
2.2. О связи поляризационных характеристик с параметрами дрейфа субимпульсов
2.3. Основные результаты сравнительного анализа низкочастотных и высокочастотных данных 91
ГЛАВА 3. Многочастотные поляризационные измерения усредненных (интегральных) импульсов пульсаров на низких радио частотах 110
3.1. Результаты поляризационных измерений интегральных импульсов пульсаров 111
3.2. Поляризационные профили интегральных импульсов пульсаров на метровых волнах 113
3.3. Анализ частотной зависимости степени линейной поляризации интегральных импульсов пульсаров 126
3.4. Необычная частотная зависимость степени линейной поляризации радиоизлучения пульсара В0329+54 131
3.6. Основные выводы главы 3 135
ГЛАВА 4. Обнаружение двух режимов излучения пульсара в0943+10 на метровых волнах 157
4.1. Явление «переключения мод» в пульсарах 157
4.2. Обнаружение двух мод интегрального импульса пульсара В0943+10 на метровых волнах 159
4.2.1. Наблюдения.
4.2.2. Обнаружение явления «переключения мод» в излучении пульсара В0943+10.
4.3. Частотная зависимость формы интегрального импульса В0943+10 в двух модах 165
4.4. Особенности процесса переключения режима излучения
в пульсаре В0943+10 168
4.4.1. Быстрые и медленные изменения формы интегрального импульса в процессе переключения мод.
4.4.2. Анализ переходного процесса при смене моды импульса в пульсаре В0943+10.
4.5. Основные выводы главы 4 174
4.5.1. Обсуждение результатов.
ГЛАВА 5. Поляризационные характеристики импульсов в двух режимах излучения пульсаров В0943+10 и В0329 +54 187
5.1. Изменения, происходящие в поляризации импульсов пульсаров при переключении мод. Анализ высокочастотных данных 178
5.2. Влияние явления «переключения мод» на поляризационные свойства импульсов пульсара В0943+10 191
5.2.1. Наблюдения.
- Радиотелескопы метровых волн ПРАО ФИАН
- О связи поляризационных характеристик с параметрами дрейфа субимпульсов
- Анализ частотной зависимости степени линейной поляризации интегральных импульсов пульсаров
- Обнаружение двух мод интегрального импульса пульсара В0943+10 на метровых волнах
Введение к работе
Обнаружение пульсаров. В июле 1967 г. группа британских радиоастрономов под руководством Энтони Хьюиша приступили к осуществлению нового проекта по исследованию межпланетных мерцаний точечных радиоисточников на волне 3.7 метра. Спецификой этих наблюдений было использование малой постоянной времени радиометра во избежание сглаживания быстрых флуктуации интенсивности в приемнике. Именно это обстоятельство позволило впервые зарегистрировать импульсное излучение с периодом около 1 секунды от «неопознанного» радиоисточника. Серия строго периодических импульсов привлекли внимание аспирантки Джоселин Белл. После определения космического происхождения сигналов в феврале 1968 г. появилось первое сообщение об обнаружении радиоисточников нового типа (Hewish, Bell et.al. 1968). Было предложено называть их пульсарами, исходя из строго периодического характера приходящих импульсов. Первый из обнаруженных пульсаров получил название СР1919+21. В название пульсара вошли значения его прямого восхождения и склонения: a=19h 19m и 5=+21. Первые буквы в названии пульсара означали Cambridge Pulsar. Традиция называть вновь обнаруживаемые пульсары по названию обсерватории, где проводились наблюдения сохранялась несколько лет. Так, пульсар, обнаруженный в Пущино в декабре 1968 г. имел первое название РР0943+10 (Пущин-ский Пульсар) (Алексеев, Виткевич, Журавлев, Шитов 1969). Позднее, когда число обнаруженных пульсаров стало исчисляться сотнями было введено единое обозначение пульсаров-PSR (Pulsed Source of Radioemission). Современное обозначение первого пульсара- PSR В1919+21 или PSR Л 921+2153 в зависимости от эпохи (В 1950 или J2000), к которой относятся экваториальные координаты. К концу 90-х годов обнаружено около 1300 пульсаров; им посвящены несколько сотен статей и несколько монографий.
Происхождение пульсаров. К настоящему времени твердо установлено, что импульсный характер принимаемого сигнала обусловлен быстрым вращением нейтронной звезды, излучающей из узких областей вблизи магнитных полюсов (эффект маяка). Существование нейтронных звезд как остатка взрыва сверхновых звезд было предсказано еще в 1934 г. Бааде и Цвики (Baade, Zwicky 1934) задолго до их обнаружения. После обнаружения пульсаров в центре остатков взрыва сверхновых Vela Х-1 (Large ) и Кра-бовидной туманности (Staelin, Reifenstein 1968) природа происхождения пульсаров стала очевидной. Пульсары являются последним этапом эволюции сверхмассивных звезд. Когда в результате выгорания основной массы вещества, лучистое давление больше не может уравновешивать силу гравитации, звезда коллапсирует. В результате коллапса образуется нейтронная звезда с массой 1.4-5-2.5 масс Солнца, радиусом 10 км и плотностью вещества 1013-1014 г/см3 (Манчестер, Тейлор 1980). При таких плотностях электроны «вдавливаются» в протоны с образованием нейтронов и электронных нейтрино. Мгновенное освобождение громадной энергии нейтрино разносит внешнюю оболочку родительской звезды в межзвездное пространство. При коллапсе сохраняется момент вращения звезды; ее скорость вращения возрастает до нескольких сотен оборотов в секунду. Аналогично сохраняется и магнитный поток; благодаря высокой проводимости вещества звезды, напряженность магнитного поля нейтронной звезды достигает 1012 Гс. Электрическое поле, возникающее при вращении намагниченной звезды, вырывает заряженные частицы с ее поверхности (Goldreich, Julian 1969). При движении этих зарядов вдоль открытых силовых линий магнитного поля возникает радиоизлучение, получившее название «излучение кривизны» (Ruder-man, Sutherland 1975). Потеря энергии через излучение компенсируется потерей момента вращения, т.е. замедлением вращения звезды. Нейтронные звезды, возникшие по описанному сценарию, в основном, являются радио-
пульсарами. В исключительных случаях (пульсар в Крабовидной туманности) наблюдается также оптическое, рентгеновское и гамма - излучение (Cocke et.al. 1969, Fritz et.al. 1969, Hiller et.al. 1970).
Альтернативный механизм образования нейтронных звезд работает в тесных двойных системах (Whelan & Iben,1973). В паре из белого карлика и красного гиганта может происходить перетекание вещества на белый карлик. Когда масса белого карлика превысит критическую, звезда «безшумно» кол-лапсирует с последующей трансформацией в нейтронную звезду. Излучение, возникающее в процессе аккреции, наблюдается в рентгеновском диапазоне, поэтому такие пары называются двойными рентгеновскими системами. В дальнейшем мы будем обсуждать только радиопульсары.
Магнитосфера пульсаров. При такой большой напряженности магнит-
1 "?
ного поля звезды как 10 Гс, все физические процессы, происходящие в области пространства около звезды, определяются магнитным полем и соответствующим ему электрическим полем. Эта область называется магнитосферой пульсара. В первом приближении конфигурация магнитных силовых линий соответствует дипольному полю. У самой поверхности звезды начинают играть роль мультипольные составляющие поля (Barnard, Arons 1982, Davies et.al. 1984), а в верхней магнитосфере нарастают деформации силовых линий, вызванные вращением звезды (Шитов, 1983, Шитов и др. 1985, Barnard 1986). До расстояния, соответствующего радиусу светового цилиндра Rlc=c/Q=c Р/2я, плазма, заполняющая магнитосферу, сохраняет режим твердотельного вращения с периодом вращения звезды. Это область замкнутых силовых линий магнитного дипольного поля. В одной из простых моделей (Goldreich, Julian 1969), объясняющей высокую яркостную температуру пульсаров, заряженные частицы могут ускоряться вдоль незамкнутых силовых линий, исходящих из магнитных полюсов. Ускоренное движение частиц вызывает радио излучение в направлении их движения. В истекающей плаз-
ме формируются сгустки, излучающие когерентно, что объясняет высокую светимость и поляризацию излучения пульсаров. Такое излучение «кривизны» поляризовано в плоскости кривизны силовой линий, включающей магнитную ось. Из сказанного следует, что поляризационные измерения дают важную и, возможно, главную информацию о геометрии магнитного поля пульсаров. Именно поляризационные измерения пульсара PSR В0833-45, которые показали плавное и значительное по амплитуде изменение угла плоскости поляризации вдоль среднего импульса, уже вскоре после обнаружения пульсаров позволили утверждать, что излучение исходит из областей магнитных полюсов звезды и создать первую теоретическую модель магнитосферы пульсаров - модель «вращающегося вектора» (Radhaknshnan, Cook 1969). Предложенная ими модель «вращающегося вектора» предполагает, что указанные особенности поведения позиционного угла плоскости поляризации (ПУ) определяется геометрией магнитных силовых линий дипольного магнитного поля пульсара при прохождении луча зрения наблюдателя по центру диполя. Для других пульсаров при произвольном значении угла между осью конуса диполя и луча зрения величина полного изменения ПУ будет изменяться от 0 до 180. Форма изменения ПУ по долготе, следовательно, дает возможность в принципе определить основные углы, определяющие геометрию пульсара. К ним относятся углы, которые составляет луч зрения в картинной плоскости с осью вращения пульсара и осью магнитного диполя.
Импульсное излучение пульсаров. К настоящему времени установлено, что пульсары представляют собой нейтронные звезды, излучающие из узкой области открытых магнитных силовых линий вблизи магнитных полюсов. Периодичность прихода импульсов пульсаров связана с эффектом маяка при вращении звезды при условии, что излучение генерируется из ограниченной области магнитосферы нейтронной звезды. Высокая стабильность частоты вращения пульсаров обусловлена сочетанием большого момента инерции и
исключительной компактностью нейтронных звезд. Для уже обнаруженных в Галактике около 1300 пульсаров периоды вращения (Р) находятся в интервале от 1.5 мс до 8.5 с. Пульсары с периодами менее 20 мс принято называть «миллисекундными пульсарами», а с более длинными периодами - «нормальными». В данной диссертации рассматриваются только нормальные пульсары.
Яркостная температура. Помимо высокой стабильности периодов пульсары отличаются высокой яркостной температурой, которая находится в пределах 1023 К -н1030 К и указывает на когерентный характер излучения. Пульсары являются наиболее яркими объектами радионеба, излучающими в широком диапазоне частот от 20 МГц до 80 ГТц. Радиопоток типичного пульсара растет с понижением рабочей частоты, достигая максимума на частотах 50-5-400 МГц, а затем начинает падать (заваливаться) на низких частотах. Распределение спектральных индексов в диапазоне 102-400 МГц близко к нормальному со средним значением а = 1.47 при а = 0.76 для выборки из 175 пульсаров. Значения плотности потока пульсаров на частоте 102.5 МГц, в основном, заключены в пределах от 20 до 1000 мЯн (Malofeev ).
Поляризация радиоизлучения пульсаров. Современное состояние
проблемы.
Поляризационные измерения на высоких радиочастотах. Поляризационные измерения сразу заняли важное место в исследовании механизма излучения и конфигурации магнитного поля этих объектов. К настоящему времени подавляющая часть поляризационных измерений выполнена на частотах 400-И 700 МГц. Это связано с тем, что все наиболее крупные радиотелескопы мира на обсерваторях в Аресибо(США), Эффельс-берге (ФРГ), Парксе (Австралия), Гринбэнк (США), Джодрелл Бэнк (Великобритания) и некоторые другие работают преимущественно в дециметро-
вом диапазоне волн. Сопровождение источника с длительным накоплением сигнала позволяет получить высокое отношение сигнал / шум даже для пульсаров с низкими радио потоками. Результатом такого накопления являются интегральные, или усредненные импульсы.
Интегральные импульсы.
Поляризация интегральных импульсов ряда пульсаров в дециметровом диапазоне волн впервые была измерена Лайном и Смитом (Lyne, Smith, 1968). Последующие измерения показали, что поляризация пульсаров в отличие от других радиоисточников не растет, а падает с частотой. (Manchester et.al. 1973; Morris et.al. 1981b). (Наблюдения космических радиоисточников показывают: чем выше рабочая частота, тем выше поляризация излучения. Все радиоисточники, включая Галактический фон, остатка сверхновых, нормальные галактики, радиогалактики, квазары и т.д., подчиняются этому правилу). Измерения также показали, что наиболее типичное значение степени линейной поляризации (СЛП) усредненных импульсов пульсаров составляет 20-40 % (Lyne et.al. 1971), достигая в некоторых случаях значений, близких к 100 %. Напомним, что излучение большинства космических радиоисточников является слабо поляризованным и СЛП около 10% принято для них считать высокой.
Поляризация интегральных импульсов пульсаров уменьшается с частотой с индексом деполяризации, меняющимся в больших пределах - от -0.13 до -1.35 (Manchester et.al. 1973; Morris et.al. 1981b). Примерно для одной трети из списка, включающего тридцать пульсаров (Morris et.al. 1981b) индекс резко увеличивается при превышении, так называемой, «критической» частоты поляризации.
Круговая поляризация обычно не превышает 10%, в редких случаях достигая 50% только на определенных долготах в нескольких пульсарах. Частотная зависимость круговой поляризации плохо изучена.
Индивидуальные импульсы. Первые поляризационные измерения индивидуальных импульсов нескольких самых мощных пульсаров были проведены в 1969 г. на частотах 610 МГц (Clark, Smith 1969) и 2295 МГц (Ekers, Moffet 1969) вскоре после их обнаружения. Практически в это же время на радиотелескопе ДКР-1000 Радиоастрономической станции ФИАН (г. Пущино) проводились поляризационные измерения пульсаров в наиболее низкочастотной части радиодиапазона. Так, например, наблюдения пульсара В1133+16, проведенные на частоте 63 МГц в 1970 г. позволили обнаружить быстрые (от импульса к импульсу) дискретные изменения позиционного угла на 90 (Шитов 1972). Первая работа, обобщающая результаты поляризационных измерений индивидуальных импульсов для достаточно большой выборки из 12 пульсаров на частотах между 110 и 450 МГц была опубликована в 1975г. (Manchester et.al. 1975). Она показала, что скачки ПУ на 90 происходят от импульса к импульсу на фиксированной долготе, между соседними компонентами индивидуального импульса (субимпульсами) и на фронтах самих субимпульсов. Результаты работы продемонстрировали широкую распространенность такого явления как наличие в излучении пульсаров двух составляющих с взаимно перпендикулярной ориентацией позиционного угла. Теоретически, в соответствии с моделью «вращающегося вектора» (Radhakrishnan, Cook 1969), позиционный угол плоскости поляризации должен монотонно поворачиваться по долготе вдоль импульса со скоростью, обусловленной ориентацией оси вращения и оси магнитного диполя относительно луча зрения наблюдателя. На практике это наблюдается только в тех редких случаях, когда одна из мод значительно интенсивнее другой в пределах всего окна излучения. В общем случае, характер поведения ПУ вдоль импульса для большинства пульсаров отражает статистику распределения двух ортогональных поляризационных мод в излучении, с весом, пропорциональным ее интенсивности. Принято называть
более интенсивную поляризационную моду первичной (ППМ), а конкурирующую с ней моду - вторичной (ВПМ). При равенстве энергий двух мод в той или иной фазе импульса будет наблюдаться локальный минимум в значении СЛП, а позиционный угол будет испытывать скачки на 90 случайного характера (McKirmon, Stinebring 1996). Таким образом, в большинстве случаев интегральный профиль ПУ не пригоден для точного определения скорости поворота ПУ по долготе, и, в конечном счете, для определения геометрии магнитных силовых линий в области излучения пульсара.
Измерения, проводимые для индивидуальных импульсов, позволяют разрешить две поляризационные моды в распределении ПУ и выявить характер изменения интенсивности, угла и степени поляризации каждой из мод по долготе. Необходимым условием для понимания механизма излучения пульсаров является также знание характера частотной зависимости поляризационных параметров в как можно более широком диапазоне частот.
Наиболее полная информация о поляризационных свойствах индивидуальных импульсов накоплена на частотах вблизи 400 МГц. В работе (Backer, Rankin 1980) по результатам наблюдений в обсерватории Аресибо (Arecibo Observatory) на 430 МГц для 18 пульсаров результаты были впервые представлены в виде гистограмм долготного распределения степени и угла поляризации. Такой вид представления результатов, содержащих сотни единиц измерений оказался наиболее наглядным. В таком же виде представлены результаты для 11 пульсаров на 1404 МГц (Stinebring et.al. 1984а) и для 4 пульсаров на 800 МГц (Stinebring et.al. 1984b). Иначе представлены результаты наблюдений на частотах 400 МГц (9 пульсаров), 1400 МГц (4), 285 МГц (2) и 147 МГц (1) в обзоре (Manchester et.al. 1975), а именно: поляризация индивидуальных импульсов дана в виде кривой усредненных значений СЛП по долготе. (Ниже мы используем оба типа представления наших низкочастотных данных). В других работах рассматриваются свойства индивидуаль-
ных импульсов единичных пульсаров: В0823+26, В0834+06, В2303+30, 430МГц (Rankin et.al. 1974), В2020+28, 430 МГц (Cordes et.al. 1978), В0823+26,1404 МГц (Gil et.al. 1991), В0329+54, 408 (Gil, Lyne 1995) и 1700 МГц (Bartel et.al. 1982).
Поляризационные измерения на низких радиочастотах.
К настоящему времени, на частотах ниже 200 МГц информация о поляризации излучения пульсаров, полученная с помощью полноповоротных телескопов, ограничена данными измерений на частоте 150 МГц в общей сложности для 11 пульсаров (Lyne et.al. 1971, Schwarz, Morris 1971). На более низких частотах измерения не проводились. Объясняется это в значительной степени уменьшением эффективной площади полноповоротных инструментов на низких частотах. Радиотелескопы метровых волн с большой собирающей поверхностью, такие как ДКР-1000 и БСА ФИАН решают проблему чувствительности, но для них классический способ определения всех параметров Стокса в метровом диапазоне невозможен, поскольку они являются антеннами с горизонтальной поляризацией. Это отличает их от радиотелескопов дециметрового и миллиметрового диапазона, имеющих в фокусе два ортогональных облучателя. В 1965 г. сотрудником ПРАО Удальцовым В.А. был предложен метод поляризационных измерений с помощью антенн с горизонтальной поляризацией, > использующий эффект Фарадеевского вращения плоскости поляризации сигнала в ионосфере Земли (Удальцов 1965). Предполагалось использовать этот метод для поляризационных измерений синхротронного излучения Галактики и дискретных источников. Однако по ряду причин, в том числе из-за низкой поляризации радиоизлучения таких источников, этот проект не был реализован.
Метод поляризационных измерений с использованием эффекта Фарадея был успешно применен для высоко поляризованного излучения пульсаров. Первые поляризационные измерения проводились с начала 70-х годов
на радиотелескопах Радиоастрономической станции ФИАН (в настоящее время - Пущинская Радиоастрономическая обсерватория, или сокращенно -ПРАО) для ряда обнаруженных к тому времени пульсаров: В0628-28, В0943+10, В1133+16 и В2217+47 (Vitkevich, Shitov 1970, Shitov 1971, Шитов 1972, Сулейманова, Журавлев 1974). Измерения проводились на частотах в диапазоне 63-105 МГц с помощью 12-канального приемника с интервалом между соседними каналами и полосой каждого канала 70 кГц. Сигнал на вход приемника поступал с антенны Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1000 с горизонтальной поляризацией. Регистрация импульсов проводилась на 12 канальный быстродействующий светолучевой самописец с записью на фотобумаге. Из записи последовательности индивидуальных импульсов для измерений отбирались наиболее мощные. (Технической возможности накопления последовательных импульсов на то время не было). Дальнейшая обработка проводилась ручным способом. Строился спектр выбранного импульса. Степень линейной поляризации в максимуме импульса измерялась по глубине квазисинусоидальной модуляции спектра. Результаты обработки первых записей сразу показали, что период наблюдаемой модуляции амплитуды сигнала по частоте в основном определяется мерой вращения в межзвездной среде. Наличие такой модуляции позволяло не только измерить степень линейной поляризации нескольких наиболее сильных импульсов, но и среднюю величину магнитного поля межзвездной среды в направлении пульсара.
Следующим шагом в изучении поляризации индивидуальных импульсов в ФИАНе стали начавшиеся в 1972 году регулярные наблюдения пульсаров на ДКР-1000 в комплексе с дополнительной «поляризационной антенной» с вертикальной поляризацией. Определялись все четыре параметра Стокса на частоте 86 МГц. Серия наблюдений трех пульсаров В0834+06, В0950+08 и В1133+16 (Алексеев, Сулейманова 1977) показала, что линейная
поляризация индивидуальных импульсов всех трех пульсаров растет с понижением рабочей частоты. Следует, однако, сказать, что данное направление поляризационных измерений не получило дальнейшего развития. Основным препятствием для получения достоверных данных стала сложная система калибровки сигнала, получаемого с двух антенн.
После создания 128-канального приемника с высокой стабильностью его параметров и широкой общей полосой 2.5 МГц стало ясно, что метод определения характеристик линейной поляризации по Фарадеевской модуляции амплитуды сигнала на выходе многоканального приемника обладает значительными преимуществами перед другими. В первую очередь к ним относится простота калибровки частотных каналов. К недостаткам метода можно отнести невозможность измерения круговой поляризации.
Поляризационный обзор, проводящийся с начала 90-х годов с помощью данной методики на базе нескольких многоканальных приемников с узкими полосами и малыми постоянными времени позволили получить результаты, сопоставимые по точности, временному разрешению и форме представления с данными на высоких частотах. Результаты этого обзора, проведенного для относительно обширной выборки из десяти пульсаров, на трех частотах 103, 60 и 40 МГц представлены в настоящей работе. Для нескольких пульсаров из нашего списка есть соответствующие данные измерений на более высоких частотах, что дает возможность проследить эволюцию поляризационных свойств индивидуальных импульсов по частоте при переходе от дециметрового к метровому диапазону волн.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Настоящая диссертация включает в себя результаты многолетних наблюдений с целью изучения поляризации радиоизлучения пульсаров на метровых волнах.
Актуальность проблемы, затронутой в диссертации, связана с исследованием и пониманием феномена пульсара и в первую очередь - механизма его радиоизлучения, который все еще остается до конца не понятым даже после тридцати лет интенсивных исследований радиоастрономами всего мира. Аномально высокие значения плотности материи внутри нейтронных звезд, напряженности магнитного поля и скорости движения плазмы, приближающиеся к скорости света, создают условия для проявления многих эффектов, не наблюдаемых в объектах другого типа. Одним из самых замечательных свойств пульсаров, отличающим эти объекты от других известных космических источников, является высокая степень линейной поляризации их излучения.
Поляризационные измерения занимают важное место в исследованиях пульсаров. Достаточно сказать, что на их основе был сделан выбор в пользу общепринятой к настоящему времени модели полого конуса излучения пульсаров (hollow-cone model) (Radhakrishnan et.al. 1969). Быстрое изменение позиционного угла на величину более 50 в пределах узкого импульса пульсара В0833-45) в созвездии Парусов (Radhakrishnan, Cook 1969) навело исследователей на мысль, что область излучения может находиться вблизи магнитного полюса нейтронной звезды. Поляризационные измерения излучения пульсаров велись очень интенсивно с момента их обнаружения и к настоящему времени накоплен большой наблюдательный материал (Манчестер, Тейлор 1980). Результаты поляризационных измерений пульсаров на «классических» частотах 400 -*- 1700 МГц, на которых работают все крупнейшие
радиотелескопы мира, позволили приблизиться к пониманию механизма излучения, процессов распространения излучения в магнитосфере пульсаров и конфигурации магнитного поля этих космических объектов.
С другой стороны, следующие шаги в этом направлении требуют информации о поляризации радиоизлучения пульсаров в самой низкочастотной части радиодиапазона - < 100 МГц. Задача получения такой информации и была поставлена диссертантом. Актуальность этой задачи возрастающим интересом к результатам исследований пульсаров на метровых волнах, которые необходимы для построения модели периферийных слоев магнитосферы пульсаров. Низкочастотные поляризационные измерения пульсаров важны также для выяснения природы двух ортогонально поляризованных компонент радиоизлучения пульсаров, так называемых, поляризационных мод (Cordes, Rankin et.al. 1978). Изучение этого явления на низких радиочастотах позволит точнее определить характер частотной зависимости интенсивности каждой из поляризационных мод, что важно для понимания механизма радиоизлучения в целом и условий распространения радиоволн в магнитосфере пульсаров.
В диссертации большое внимание уделено результатам комплексных исследований двух «переключающихся» пульсаров В0329+54 и В0943+10. Изучение на метровых волнах изменений, происходящих в состоянии поляризации одновременно с изменением формы усредненного импульса, может сыграть важную роль в понимании природы явления «переключения мод» в пульсарах.
Уникальность полученных диссертантом результатов определяется тем, что до настоящего времени эти задачи можно было решить только на крупнейших в мире радиотелескопах метрового диапазона волн ДКР-1000 и БСА ФИАН Пущинской Радиоастрономической обсерватории.
Цель настоящей работы заключалась в получении новых данных об особенностях поляризации излучения пульсаров на метровых волнах на основании многочастотных наблюдений и всестороннего анализа их результатов. Для этого потребовалось: а) разработать методику измерения степени и угла линейной поляризации для различных фаз импульса с целью определения формы «поляризационных профилей» при наблюдениях на антеннах с одной линейной поляризацией; б) провести наблюдения пульсаров и проанализировать наблюдаемые особенности поляризационных профилей на метровых волнах по сравнению с высокочастотными данными; в) проанализировать связь поляризационных свойств радиоизлучения с другими важнейшими характеристиками пульсаров, такими как: интенсивность, форма и фаза импульса, скорость и направление долготного дрейфа субимпульсов. Следует отметить, что основной акцент при выполнении данной работы делался на экспериментальную часть, а именно: на начало создания поляризационного каталога пульсаров на метровых волнах
Адекватность материальной базы. Используемая диссертантом методика поляризационных измерений усредненных и, в особенности, индивидуальных импульсов пульсаров опирается, прежде всего, на высокую чувствительность радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН, которая остается непревзойденной вплоть до настоящего времени. Благодаря активному развитию антенно-аппаратурного комплекса в ПРАО в 80-х годах исследования поляризации радиоизлучения пульсаров получили новый импульс. Поляризационный обзор, проведенный на базе новых многоканальных приемников с узкими полосами и малыми постоянными времени, позволил получить результаты, сопоставимые по точности, временному разрешению и форме представления с данными на высоких частотах.
Основные результаты, выносимые на защиту.
На защиту выносятся основные результаты работы, полученные лично соискателем, новые в исследовании пульсаров:
Решена важная научная проблема экспериментального определения свойств линейно поляризованного излучения пульсаров в самой низкочастотной части радиодиапазона <100 МГц. Разработана и реализована оригинальная методика измерений поляризационных профилей импульсов пульсаров, основанная на определении глубины и фазы фарадеевской модуляции сигнала на выходе многоканального приемника, подключенного к антенне, регистрирующей только одну из двух ортогональных составляющих сигнала. Впервые проведен поляризационный обзор на метровых волнах с использованием крупнейших в мире радиотелескопов метрового диапазона длин волн ДКР-1000 и БСА ФИАН. Получено 40 поляризационных профилей усредненных импульсов 22-х пульсаров и построено 21 гистограмм распределения степени и позиционного угла линейной поляризации индивидуальных импульсов в окне излучения 10 пульсаров. Измерения проводились на частотах вблизи 40, 60, 103 и ПО МГц на одной или одновременно на двух из перечисленных частот с миллисекундным временным разрешением. В дополнение к ранее известным видам частотной зависимости степени линейной поляризации усредненных импульсов, которые можно описать единым степенным законом или двумя степенными участками, разделенными «критической» частотой, обнаружен новый вид, особенностью которого является наличие двух критических частот. Показано, что для пульсаров, усредненные импульсы которых содержат парные конусные компоненты (В0031-07, В0329+54, В0834+06, В0943+10, В1133+16, В2020+28), с уменьшением частоты происходит усиление вторичной поляризационной моды.
Обнаружен эффект изменения режима излучения («переключения мод») у первого Пущинского пульсара В 0943+10. При исследовании этого
пульсара на частотах 40 и 430 МГц обнаружен медленный процесс изменения формы импульса, названный нами «переходным процессом», который длится десятки минут и предвосхищает быстрые (секунды) изменения формы усредненного импульса пульсара В0943+10 в процессе «переключения мод».
При детальном изучении усредненных и индивидуальных импульсов пульсара В0943+10 на частотах 40, 103 и 430 МГц и пульсара В0329+54 на 111 МГц, обнаружены значительные изменения в состоянии их поляризации, происходящие одновременно с изменением формы усредненного импульса. Показано, что причиной частичной деполяризации усредненного импульса этих и ряда других пульсаров в аномальной моде является существенное усиление интенсивности вторичной поляризационной моды по отношению к первичной моде.
Установлено присутствие эффектов аберрации и ретардации в пульсаре В0329+54. Данный результат получен с помощью оригинальной методики, предложенной диссертантом. Методика основана на измерении смещения центра симметрии конусных компонентов I и IV относительно центрального компонента III на разных частотах. Обнаружено, что такое смещение происходит в направлении вращения звезды и увеличивается с уменьшением частоты (увеличением высоты излучающей области). Получена оценка разности высот для областей генерации излучения на частотах, охватывающих почти весь радиодиапазон от 100 МГц до 10 ГГц, которая составляет «108 см.
Показано, что для пульсара В0329+54 на частотах вблизи 100 МГц ширина конуса излучения первичной поляризационной моды меньше на 4±1 ширины конуса вторичной поляризационной моды. Предложено использовать этот эффект для идентификации ортогональных поляризационных мод в других пульсарах.
Научная новизна работы.
Все основные научные результаты диссертации получены впервые и представляют значительную ценность для понимания физики пульсаров. Подобные массовые поляризационные измерения на низких радиочастотах проведены впервые; их результаты в настоящее время являются единственным источником информации о поляризации пульсаров на частотах <100 МГц. Принципиальная возможность поляризационных измерений радиоизлучения пульсаров с использованием эффекта Фарадея в межзвездной среде была показана в работе (Vitkevich, Shitov. 1 970). В начале 70-х годов этот метод использовался в основном для измерения меры вращения и напряженности межзвездного магнитного поля в направлении пульсаров (Vitkevich, Shitov 1970, Shitov 1971, Сулейманова, Журавлев 1974). Автором диссертации эффект Фарадея был положен в основу методики измерений поляризационных профилей индивидуальных и усредненных импульсов пульсаров. По инициативе и при участии диссертанта был создан пакет программ автоматизированной системы поляризационных измерений пульсаров. Это позволило провести первый поляризационный обзор пульсаров на низких радиочастотах. В результате нового подхода к решению задачи составлен каталог пульсаров, включающий в графическом виде профили интенсивности, степени и угла линейной поляризации более чем двух десятков объектов на частотах 40, 60, 103 и 111 МГц. Появление данного поляризационного обзора в самой низкочастотной части радиодиапазона должно послужить лучшему пониманию природы радиоизлучения пульсаров.
Кроме результатов поляризационного обзора в диссертации представлены результаты исследования ряда новых особенностей, обнаруженных диссертантом в излучении пульсаров на метровых волнах. Так, обнаружен эффект переключения мод у пульсара В0943+10, особенностью которого является примерно равное время жизни каждой из мод. Впервые на примере
B0943+10 показано, что процесс переключения мод в пульсарах может включать в себя как быстрые, так и медленные изменения в амплитуде отдельных компонент импульса. Кроме того, на примере 5 объектов впервые получены свидетельства того, что переключение в аномальную форму импульса сопровождается усилением относительной интенсивности вторичной поляризационной моды в излучении пульсаров.
Обнаружен эффект аберрации в пульсаре В0329+54. По нему получена оценка разности высот формирования излучения на частотах 10 ГГц и 100 МГц, которая составляет «10 см. Впервые предложена методика определения угла аберрации, основанная на измерении смещения центра симметрии конусных компонент относительно центрального компонента на разных частотах. Впервые показано, что в пульсаре В0329+54 ширина конуса первичной поляризационной моды, в котором излучаются субимпульсы с повышенной интенсивностью, значительно меньше по сравнению с шириной конуса вторичной поляризационной моды.
Достоверность результатов и выводов диссертации определяется применением строгих математических методов обработки и обоснованностью выбора моделей при интерпретации результатов наблюдений. Достоверность представленных в диссертации результатов поляризационных измерений по оригинальной методике, определяется также их согласованностью с результатами, полученными на высоких радиочастотах методом определения всех параметров Стокса, используемым на антеннах с полной системой облучателей.
Научная и практическая ценность работы.
Полученная информация о поляризационных характеристиках излучения пульсаров на низких радиочастотах представляет несомненный интерес и уже используется в работах специалистов, занимающихся проблемами ней-
тронных звезд. Свидетельством научной ценности полученных результатов является наличие более 30 положительных ссылок по теме диссертации, в основном, в ведущих зарубежных журналах. Ограничимся перечислением некоторых работ за последние 10 лет в ведущих рецензируемых международных журналах: Astrophysical Jomal (Ap.J.), Astrophysical Jornal Supplement Series (Ap.J.Suppl.), Astronomy and Astrophysics (Astron. Astroph.), Monthly Notices of Royal Astronomical Society (MNRAS), содержащих ссылки на работы диссертанта. Например, в работах Thorsett. Ap.J. 1991. V.377. Р.263; /Rankin . Ap.J. Suppl. 1993.V.85. P.145. /McKinnon. Ap.J. 1997. V.475. P.763; /Edwards, Stappers, van Leeuwen. Astron. Astroph. 2003. V.402. P.321, /Rankin, Ramachandran. Ap.J. 2003. V.590. P.411 и др. использованы результаты низкочастотных поляризационных измерений.
Наибольшее количество ссылок вызвали работы диссертанта по обнаружению и исследованию особенностей переключения мод в пульсаре В0943+10, например: Phillips, Wolszan. Ap.J. 1989. V.344. P.69. /Zhang, Qiao et al.. ApJ. 1997. V.478. P.313; /Weisberg, Cordes. Ap.J.Suppl. 1999. V.121. P.171; /Kramer, Xilouris et.al. Ap.J. 1999. V.520. P.324; /Deshpande, Rankin. Ap.J. 1999. V.524. P.1008; /Deshpande, Rankin. MNRAS. 2001. V.322. P.438; /Asgekar, Deshpande. MNRAS. 2001. V.326. P. 1249.
Методика определения угла аберрации, основанная на измерении смещения центра симметрии пары конусных компонент относительно центрального компонента, впервые предложенная диссертантом, используется в работах Gangadhara, Gupta. Ap.J. 2001. V.555; /Mitra, Rankin. ApJ. 2002. V.577. P.322, посвященных изучению пульсара B0329+54. Данная методика была применена для определения высоты области излучения конусных компонентов для шести других пульсаров с многокомпонентной формой интегрального импульса в работе Gupta, Gangadhara. Ap.J. 2003. V.584.P.418. Результаты, полученные диссертантом, используются также при рассмотрении эффектов,
связанных с распространением радиоизлучения в магнитосфере пульсаров; см., например, Petrova. Astron. Astroph. 2001.V.378. Р.883.
Апробация работы и публикации.
Результаты докладывались на Всесоюзных и Всероссийских радиоастрономических конференциях №№ XII (1979 г., Звенигород), XIV (1982 г., Ереван), XV (1983 г. Харьков), XIX (1987 г. Таллин), XXIII (1991 г. Ашхабад), XXV (1993 г., Пущино), XXVI (1995 г., С.-Петербург) и XXVII (1997 г., С.-Петербург), на Всероссийской астрономической конференции (2001 г. С-Петербург) и коллоквиумах Международного Астрономического Союза №128 «Структура магнитосферы и механизмы излучения радиопульсаров» (1991, Лагов, Польша), №160 «Пульсары: прогресс и проблемы» (1996, Сидней, Австралия) и №177 «Пульсарная астрономия на рубеже 2000 и в будущем» (1999, Бонн, ФРГ).
Результаты, изложенные в диссертации, содержатся в 30 публикациях в отечественных и зарубежных научных изданиях: в 14 ведущих рецензируемых отечественных и международных журналах и в 16 публикациях в трудах 12 Всесоюзных, Всероссийских и международных конференций. Основные результаты, выносимые на защиту, суммированы в статьях, опубликованных в Астрономическом журнале и в Письмах в Астрономический журнал (см. работы диссертанта [3,4, 5, 8, 10, 11, 12, 13].
Личный вклад автора.
Во всех новых результатах, вынесенных на защиту, вклад диссертанта является основным. Вклад автора был определяющим как в разработке методики поляризационных измерений радиоизлучения пульсаров, так и в проведении наблюдений и последующей обработке данных наблюдений. В совместных работах по теме диссертационной работы роль диссертанта состояла
также в постановке задачи, формировании коллектива соавторов, интерпретации полученных результатов. Тексты опубликованных работ в подавляющем большинстве случаев написаны диссертантом самостоятельно с учетом замечаний соавторов. При этом соавторы диссертанта принимали участие в обсуждении полученных результатов и в подготовке статей к публикации.
Обработка результатов наблюдений велась самостоятельно с помощью пакета программ, созданных сотрудниками ПРАО ФИАН Володиным Ю.В., Пугачевым В.Д. и Извековой В.А по инициативе и при участии автора. В рамках международного сотрудничества большой вклад в возможность проведения наблюдений пульсара В0943+10 на частоте 430 МГц в обсерватории Аресибо (США) и в подготовку текста статей на английском языке (Suleymanova, Izvekova, Rankin, Rathnashree 1998 и Rankin, Suleymanova, Deshpande 2003) внесла профессор Университета Вермонт (США) Джоанна М. Ранкин. Инициатива проведения наблюдений на частоте 430 МГц принадлежит диссертанту.
Структура и объем диссертации.
Представленная диссертация является результатом работ, выполненных автором в основном за период 1980 - 2003 г.г., и состоит из Введения, шести глав и Заключения. Диссертационная работа изложена на 254 страницах и включает в себя, список цитируемой литературы из 119 наименований, 73 рисунков и 11 таблиц.
26 СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.
Во введении дан краткий обзор современного состояния исследований поляризации радиоизлучения пульсаров. Указывается, что подавляющая часть поляризационных измерений выполнена в дециметровом диапазоне на частотах 400-И 700 МГц. Это связано с тем, что все наиболее крупные радиотелескопы мира на обсерваториях в Аресибо (США), Эффельсберге (ФРГ), Парксе (Австралия), Гринбэнк (США) ,Джодрелл Бэнк (Великобритания) и некоторые другие работают преимущественно в дециметровом диапазоне волн. В то же время, на более низких частотах информации о поляризационных характеристиках пульсаров существенно меньше. Радиотелескопы метровых волн с большой собирающей поверхностью, такие как ДКР-1000 и БСА ФИАН решают проблему чувствительности, но для них классический способ определения всех параметров Стокса в метровом диапазоне невозможен, поскольку они являются антеннами, регистрирующими только одну из двух ортогональных составляющих принимаемого сигнала. Для проведения поляризационных измерений на инструментах такого типа была использована специальная методика.
В разделе «Общая характеристика работы» приводится обоснование актуальности работы. Сформулированы задачи и результаты исследований, вносимые на защиту. Показана научная и практическая ценность работы и ее апробация. Показан личный вклад автора. Кратко представлено содержание диссертации.
В первой главе дается описание метода измерений поляризационных профилей пульсаров на радиотелескопах ДКР-1000 и БСА ФИАН, основанного на эффекте вращения плоскости поляризации в межзвездной магнитоак-тивной плазме (эффект Фарадея). Суть метода заключается в том, что измеряется глубина и фаза квазисинусоидальной модуляции амплитуды сигнала
на выходе многоканального радиометра, подключенного к антенне, принимающей только одну из двух ортогональных составляющих излучения. В каждый такой частотный спектр, соответствующий различным фазам импульса, методом наименьших квадратов вписывается синусоида заданного периода Pf . (Для 6 пульсаров значения периода фарадеевской модуляции и, следовательно, меры вращения RM были измерены впервые). Амплитуда аппроксимирующей синусоиды определяет степень линейной поляризации (СЛП), а ее фаза - значение позиционного угла на данной долготе импульса. Усредненное значение сигнала в полосе частот, равной фарадеевскому периоду Рр, соответствует полной интенсивности сигнала. Измеренные значения используются для построения профилей степени и позиционного угла линейной поляризации вдоль профиля импульса в полной интенсивности. К недостаткам метода можно отнести невозможность измерения степени круговой поляризации.
Показано, что описанная выше методика поляризационных измерений имеет не только преимущества, связанные с реализацией высокой чувствительности радиотелескопов БСА ФИАН и ДКР-1000, но и определенные ограничения при использовании данного антенно-аппаратурного комплекса. Это связано с ограниченным интервалом значений меры вращения RM и меры дисперсии DM в направлении пульсаров, для которых можно проводить подобные измерения.
Во второй главе представлены результаты измерений параметров линейной поляризации индивидуальных импульсов с миллисекундным временным разрешением на частотах 40, 60, 103 и 111 МГц для десяти пульсаров. Поляризационные профили индивидуальных импульсов представлены в форме гистограмм распределения этих параметров по долготе в окне излучения для каждого пульсара на одной или нескольких из перечисленных час-
тот. Такой вид представления результатов, содержащих сотни единиц измерений оказался наиболее наглядным. Построено 21 таких гистограмм.
Следует сказать, что наиболее длинный список пульсаров, для которых получены такие гистограммы, включает 18 пульсаров; он получен на частоте 430 МГц (Backer, Rankin 1980). В таком же виде представлены результаты для 11 пульсаров на 1404 МГц и для 4 пульсаров на 800 МГц (Stinebring, Cordes et.al. 1984а, 1984b). Число пульсаров на всех частотах ограничено, прежде всего, условием, предъявляемым к интенсивности индивидуальных импульсов. В этом смысле наш список пульсаров является достаточно представительным тем более, что для пяти пульсаров: В0031-07, В0320+39, В0628-28, В0943+10 (для двух форм импульса) и В2217+47 такие гистограммы получены впервые. Сравнение гистограмм распределения ПУ на высоких частотах 430, 800 и 1404 МГц и на частотах < 100 МГц показывает, что они имеют в целом одинаковый вид. Благодаря этому в большинстве случаев удается надежно идентифицировать две ортогональные поляризационные моды на разных частотах. (Согласно терминологии, предложенной в работе (Cordes, Rankin et.al 1978), две ортогонально поляризованные составляющие радиоизлучения пульсаров называются поляризационными модами. Первичная поляризационная мода (ППМ) в среднем интенсивнее по сравнению с вторичной поляризационной модой (ВПМ) и чаще встречается в максимуме сильных импульсов.) Обнаружено, что для пульсаров, интегральные импульсы которых содержат парные конусные (conal) компоненты (В0031-07, В0329+54, В0834+06, В0943+10, В1133+16, В2020+28) с уменьшением частоты происходит усиление ВПМ. Последнее проявляется как расширение области долгот, где наблюдается ВПМ, и как увеличение ее доли в излучении на данной долготе. Получены новые данные, подтверждающие, что в излучении с интенсивностью ниже некоторого порога возрастает доля ВПМ, что приводит к заметной деполяризации сигнала при накоплении слабых
импульсов. Возрастание доли ВПМ наблюдается также в аномальном режиме излучения «переключающихся» пульсаров.
Третья глава посвящена результатам измерений поляризационных профилей интегральных импульсов на метровых волнах для 22-х наиболее мощных по принимаемому потоку пульсаров, имеющих к тому же подходящие значения меры вращения. Для каждого профиля проведено вычисление средне-весового значения СЛП с весом, равным интенсивности импульса на данной долготе. Получено около 40 таких значений. В дальнейшем они используются для сравнительного анализа с высокочастотными данными других авторов, полученными таким же способом. Анализ частотной зависимости показал, что степень линейной поляризации радиоизлучения пульсаров достигает максимума на метровых волнах. Построены компиляционные спектры СЛП. В дополнение к ранее известным видам частотной зависимости степени линейной поляризации усредненных импульсов, которые можно описать единым степенным законом или двумя степенными участками, разделенными «критической» частотой (Manchester 1973), обнаружен новый тип, особенностью которого является наличие двух критических частот. Кроме того, показано, что для ряда пульсаров характер частотной зависимости СЛП существенно отличается даже для соседних компонентов интегрального импульса, что говорит о заметной фрагментации конуса излучения пульсаров.
В четвертой главе говорится об обнаружении эффекта переключения мод в пульсаре В0943+10. В результате наблюдений, проведенных в ПРАО, обнаружено, что пульсар В0943+10 имеет две характерные формы (моды) усредненного импульса. Изменение формы сопровождается изменениями амплитуды, энергии и степени линейной поляризации усредненного импульса, а также скорости дрейфа субимпульсов. Такая особенность как равное время жизни двух альтернативных режимов излучения не наблюдается ни у
одного другого «переключающегося» пульсара. Другой интересной особенностью пульсара В0943+10 является наличие «переходного процесса» при переключении мод. Было обнаружено, что процесс перехода от одной моды излучения к другой или, иначе говоря, процесс установления альтернативной моды для пульсара В0943+10 не происходит мгновенно, а включает в себя два масштаба времени. Помимо известного по другим переключающимся пульсарам характерного времени изменения формы импульса, меньшего одного периода пульсара, был найден другой более длительный масштаб времени, в течение которого происходит угасание в 3-10 раз интенсивности доминирующего компонента предыдущей моды. Наши наблюдения этого уникального пульсара в широком диапазоне частот от 40 до 430 МГц значительно обогатили наши знания о процессах, связанных со спорадическими переключениями режима излучения пульсаров.
Пятая глава посвящена изучению вопроса о связи между изменениями формы (моды) усредненных импульсов двух «переключающихся» пульсаров и их поляризацией.
На основе изучения поляризационных характеристик индивидуальных импульсов пульсаров В0943+10 и В0329+54 диссертантом был сделан вывод, что в аномальном режиме излучения этих пульсаров возрастает доля вторичной поляризационной моды. Для пульсара В0943 эта доля увеличивается в 2 раза на частоте 103 МГц и в 6 раз на 430 МГц. Для центрального компонента В0329+54 в 2-3 раза на частоте 111.4 МГц. Вывод об увеличении доли ВПМ в излучении аномальной моды подтверждается нами также на основе анализа данных других авторов для пульсаров В0329+54(четвертый компонент, 1700МГц), В0355+54 (2650 МГц) и 1237+25 (430 МГц). Этот результат может сыграть важную роль в понимании природы явления переключения мод в пульсарах. Показано также, что на частоте 111.4 МГц при изменении формы интегрального импульса пульсара В0329+54 изменение фазы для разных
компонент происходит на разную величину: первые три компонента смещаются синхронно на 1.2 мс, а фаза четвертого компонента остается постоянной. Иначе говоря, четвертый компонент не участвует в синхронном смещении фазы других компонентов интегрального импульса при переключении в аномальную моду, испытывая при этом наибольшие изменения в амплитуде. Такая «независимость поведения» соседних компонентов импульса при переключении мод может указывать на существенные различия локальных условий генерации на данной частоте в разных частях конуса излучения пульсаров.
В шестой главе сообщается об обнаружении эффектов аберрации и ретардации в пульсаре В0329+54. На основе расширенной выборки данных измерений на частотах от 100 МГц до 10 ГГц, включающей оригинальные измерения на частотах 111.4, 103.13, 87.5 и 61 МГц, были выявлены неизвестные ранее особенности частотной зависимости долготного расстояния между боковыми компонентами и центральным компонентом для пульсара В0329+54. В ходе анализа этих особенностей было проведено измерение смещения по долготе центра симметрии конусных компонентов I и IV относительно положения центрального компонента III. Обнаружено, что это смещение увеличивается с длиной волны. Предложено объяснять этот эффект влиянием аберрации и ретардации. Получена оценка разности высот формирования излучения на частотах 10 ГГц и 100 МГц, которая составляет «108см.
Показано, что для пульсара ВОЗ 29+54 ширина конуса излучения, связанного с первичной поляризационной модой меньше на 4 ± 1 ширины конуса вторичной поляризационной моды. Это различие, по-видимому, носит общий характер и его можно использовать для идентификации ортогональных поляризационных мод в других пульсарах.
В Заключении дается краткий обзор результатов, полученных диссертантом и список публикаций автора по теме диссертации.
БЛАГОДАРНОСТИ.
Автор считает своим приятным долгом поблагодарить своих соавторов ряда совместных работ В.Д. Пугачева, Ю.П. Шитова, В.А. Извекову, И.Ф. Ма-лова, В.М. Малофеева за многолетнее плодотворное сотрудничество. Автор выражает свою искреннюю признательность директору ПРАО ФИАН Р.Д. Дагкесаманскому за моральную поддержку и многочисленные обсуждения текущего состояния диссертации в ходе ее подготовки к защите. Официальный научный руководитель Ю.П. Шитов и рецензент Т.В. Смирнова высказали ряд ценных замечаний и рекомендаций по тексту диссертации, которые были с благодарностью приняты и учтены. Автор благодарен всем сотрудникам Пущинской радиоастрономической обсерватории за возможность проводить исследования пульсаров на высоком научном и техническом уровне. Невозможно переоценить роль членов инженерно-технического коллектива ПРАО, принимавших участие в создании радиотелескопов и комплекса многоканальной регистрирующей аппаратуры. Автор благодарен коллективу технической эксплуатации радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН, руководимого П.Д. Цыганковым, а позднее СМ. Кутузовым, и, особенно, инженерам В.В. Ивановой и А.С.Александрову за квалифицированную помощь при проведении наблюдений. Большой вклад в автоматизацию наблюдений внесли Ю.В. Володин, Б.В. Выжлов, К.А. Лапаев, А.А. Сальников. Автор благодарит профессора Вермонтского университета Джоанну М. Ранкин (США) за поддержку предложения о наблюдениях «Пущинского пульсара» В0943+10 в обсерватории Аресибо и последовавшее за этим многолетнее плодотворное сотрудничество.
В заключение автор выражает сердечную благодарность всем членам
своей семьи, энтузиазм которых стал основным стимулом для завершения
работы над диссертацией.
Радиотелескопы метровых волн ПРАО ФИАН
Как уже говорилось во Введении, при наблюдениях одного из первых обнаруженных пульсаров - пульсара в созвездии Парус (Vela)(Radhakrishnan, Cook 1969) впервые было показано, что амплитуда изменения ПУ может достигать нескольких десятков градусов, а кривая изменения ПУ по долготе имеет S -образную форму. В отличие от пульсара PSR В0833-45, для многих других пульсаров изменение позиционного угла плоскости поляризации (ПУ) вдоль интегрального импульса не является монотонным и прерывается скачками на 90 на некоторых долготах. Другим наблюдательным фактом стало то, что поляризация интегральных импульсов всегда ниже средней поляризации индивидуальных импульсов.
Причину этих особенностей излучения пульсаров удалось найти при поляризационных измерениях индивидуальных импульсов. Оказалось, что излучение почти всех пульсаров содержит две компоненты с ортогональной поляризацией. Эти компоненты получили название «поляризационных мод» (Cordes et.al. 1978). Первичная поляризационная мода (ППМ) в среднем интенсивнее по сравнению с вторичной поляризационной модой (ВПМ) и чаще встречается в максимуме сильных импульсов. Хотя каждая из мод подчиняется закону изменения по долготе, определяемому моделью «вращающегося вектора», но вариации в соотношении интенсивности двух мод вызывают скачкообразные изменения ПУ между соседними частями импульса. Хорошей иллюстрацией к сказанному может служить рис. 1.4 (из работы Сулейма-нова, Пугачев 1998). На распределение по долготе значений ПУ индивидуальных импульсов пульсара ВОЗ29+54 на частоте 103 МГц угла наложены линии, соответствующие двум ортогонально поляризованным модам излучения: первичной моде (ППМ) и вторичной моде (ВПМ). Каждая из этих линий, полученная из одной, смещением по оси ординат на 90, описывает ожидаемое поведение углов в общепринятой «модели вращающегося вектора» (Radhakrishnan, Cook 1969): sina sin((p-cp0) і/(ф) = \/ + arctan 0 cosa sin(a+P)-sin a cos(a+p) cos((p-q 0) где ф - текущая долгота (фаза), a - угол между осью вращения и осью магнитного дипольного поля звезды, Р - наименьший угол между лучом зрения и осью диполя. Параметры функции а=51 и /?= - 4 наилучшим образом описывают поведение позиционного угла по долготе на частоте 103 МГц. положение магнитного полюса пульсара на оси долгот.
В распределении по долготе позиционных углов в излучении пульсара В0329+54 для каждого компонента импульса видны две группы значений, отличающиеся в среднем на 90. Вариации от импульса к импульсу в соотношении интенсивности двух ортогональных мод на фиксированной долготе являются причиной деполяризации усредненных импульсов (Manchester et.al. 1975). На рис. 1.5. показано распределение полной интенсивности, измеренной в разных фазах индивидуальных импульсов пульсара В0943+10, в зависимости от соответствующих значений позиционного угла на частоте 103 МГц. В таком представлении зависимость была впервые представлена для пульсара В2020+28 на частоте 430 МГц (Cordes et.al. 1978). Значения позиционных углов группируются около двух значений, отличающихся на 90. Позиционный угол плоскости поляризации излучения в максимуме сильнейших импульсов соответствует НИМ. С уменьшением интенсивности импульсов ВПМ захватывает не только фронты, но и их центральные части; вероятность наблюдения ВПМ для отсчетов с самой низкой интенсивностью сравнивается с вероятностью наблюдения НИМ и даже несколько превосходит ее. В результате при накоплении слабых импульсов деполяризация усредненного импульса будет значительнее, чем при накоплении сильных импульсов. В дополнение к В2020+28 этот эффект обнаружен нами еще для 4 пульсаров. Подробнее свойства поляризационных мод на метровых волнах будут описаны в главах 2 и 5.
Ортогональные поляризационные моды связаны с разными волновыми модами, которые могут существовать и распространяться над полярной шапкой звезды. Установлено (Melrose, Stoneham 1977, Barnard, Arons 1986, Lyu .
barskii, P etrova 1998), что в области истечения релятивистской плазмы, погруженной в сильное магнитное поле нейтронной звезды, могут распространяться две нормальные волны. Одна из них (обыкновенная мода, или о-мода) поляризована в плоскости (к х В) волнового вектора к и локального магнитного поля В. Другая волна (необыкновенная мода, или е-мода) поляризована в плоскости, перпендикулярной плоскости (к х В). В области выполнения условий геометрической оптики две нормальные моды распространяются независимо. На определенном расстоянии от поверхности звезды в так называемой «области предельной поляризации» две волны некогерентно складываются и в таком виде доходят до наблюдателя. Степень поляризации наблюдаемого излучения зависит от соотношения интенсивности двух волн при их сложении, а позиционный угол определяется углом поляризации доминирующей моды (Cheng, Ruderman 1979, Radhakrishnan, Rankin 1990, Stinebring et.al. 1984a, McKinnon, Stinebring 1996).
Поляризационные измерения пульсаров проводились на Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института им. П.Н.Лебедева (ПРАО АКЦ ФИАН). Пущинская радиоастрономическая обсерватория располагает уникальной экспериментальной базой для наблюдений пульсаров благодаря крупнейшим в мире радио-телескопам метрового диапазона волн БСА и ДКР-1000 ФИАН. Диапазонный крестообразный радиотелескоп ДКР-1000 был введен в строй в середине 60-х годов (Виткевич, Калачев 1965) незадолго до первого сообщения об обнаружении первых пульсаров, сделанного английскими радиоастрономами (Hewish et.al. 1968) в феврале 1968 г. Большая собирающая поверхность радиотелескопа ДКР-1000, обеспечивающая высокую мгновенную чувствительность, стала решающим фактором, позволившим радиоастрономам ФИ-АН быстро подключиться к исследованиям этих новых космических объектов. В начале 70-х годов была введена в строй большая синфазная антенна БСА ФИАН, сконструированная с целью достижения рекордной чувствительности в метровом диапазоне волн, необходимой для успешного продолжения исследований пульсаров (Виткевич и др. 1976). С ее помощью были получены все наиболее важные результаты в области исследования пульсаров на метровых волнах в ПРАО.
О связи поляризационных характеристик с параметрами дрейфа субимпульсов
Данные наблюдений записываются в файл, размер которого соответствует произведению числа каналов на число отсчетов и число импульсов. Процесс обработки данных, полученных в ходе наблюдений, происходит с помощью специально созданной программы POLAR, написанной на языке FORTRAN, и состоит из нескольких этапов, включающих определение среднего уровня сигнала вне импульса, исключение каналов с помехами, калибровку каналов, формирование и нормировку спектров. На конечном этапе проводится процедура вписывания синусоидальной кривой в нормированный спектр сигнала для определения ее периода, амплитуды и начальной фазы по методике, изложенной выше.
Рассмотрим эти процедуры подробнее. А. Определение нулевого уровня сигнала и калибровка усиления частотных каналов. Отсчеты, поступающие в память ЭВМ от аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оцифровываются от 1 до 127. Нулевой уровень полезного сигнала sl определяется по среднему уровню шумовой дорожки вне импульса. Этот уровень вычитается из текущего значения сигнала S1 в данном канале. Временной интервал, занимаемый импульсом (окном излучения), определяется визуально в первом высокочастотном канале после предварительного сложения сигнала в общей полосе приема с компенсацией дисперсионной задержки. Заданные значения фазы начала и конца импульса в первом канале заносятся с пульта ЭВМ. В ходе выполнения про 50 граммы обработки эти значения изменяются для каждого канала в зависимости от его частоты и в соответствии с мерой дисперсии пульсара. При одновременных наблюдениях на двух частотах (рис. 1.10 внизу) в режиме диалога задается также номер первого канала и число каналов с записью на данной частоте, например: каналы 1, 32 (для записи В0943+10 на 40 МГц) или каналы 33, 64 (для частоты 103 МГц).
После вычитания подложки в каждом канале значения шумовой дорожки колеблются около нулевого уровня с положительными и отрицательными значениями. Полезный сигнал от пульсара имеет при этом только положительные значения. Таким образом, значения сигнала в каждом канале преобразуются по формуле: а = 300-(s1- sl )/ т , где а - среднеквадратичный разброс шумовой дорожки вне импульса, а 300 некий произвольный калибровочный коэффициент. Как следует из вышеприведенной формулы, относительная калибровка частотных каналов по усилению проводится делением амплитуды каждого отсчета на среднеквадратичное отклонение шумовой дорожки вне импульса в данном канале.
Б. Исключение каналов с помехами. Контроль помех в каждом частотном канале осуществлялся визуально по виду записи интегрального импульса; каналы, пораженные помехами, исключались из дальнейшей обработки. Если число таких каналов составляло более 25% от их полного числа, то такие записи выбраковывались полностью.
На рис. 1.10 (вверху) для примера представлен вид записи с экрана монитора импульса пульсара В0329+54 на частоте 110.6 МГц в 64 каналах в полосе 1.28 МГц. Видно, что канал № 52 сильно зашумлен и должен быть исключен из последующей обработки.
В.Формирование и нормировка спектров. Совокупность значений амплитуды сигнала для данной фазы импульса, полученная с учетом дисперсионного смещения импульса по частоте (при заданной мере дисперсии) обра 51 зуют соответствующий спектр сигнала. Для каждого такого спектра определялось среднее значение амплитуды. Значения амплитуды в каждом из каналов нормировались к этому среднему значению; в результате, при 100-процентной модуляции спектра значения амплитуд изменяются в пределах от О до 2 около среднего значения равного 1.
Спектры, полученные таким способом для каждого временного отсчета, показаны на рис. 1.11 и 1.12 для пульсара В0329+54 на частоте 103 МГц. В каждом случае приводится информация о номере отсчета, начиная с первого от начала развертки периода пульсара (Ро), относительной амплитуде (In) и фазе модуляции (РА). Номера отсчетов, соответствующие максимуму амплитуды трех основных компонентов усредненного импульса пульсара В0329+54, равны 113, 153 и 178 при временном разрешении 0.998 мс. Форма импульса после сложения отклика всех каналов с компенсацией частотно-временной дисперсии показана на рис. 1.12. Ниже указаны номер отсчета, соответствующий максимуму импульса (153), его амплитуда в относительных единицах в полосе 640 кГц, номера отсчетов начала (97) и конца (200) окна, занятого импульсом.
Г. Аппроксимация спектров sin-функцией вида (1.6) для каждого отсчета вдоль импульса осуществлялась по стандартной методике определения нескольких неизвестных из уравнений по способу наименьших квадратов, описанный в книге Б.М. Щиголева «Математическая обработка наблюдений» в главе 17, пп.80 и 83. Определялись четыре параметра sin-функции: амплитуда, начальная фаза, среднее значение и период. На практике, все четыре неизвестных определялись только при необходимости определить фарадеев-ский период впервые в отсутствие табличных значений или для их уточнения. Необходимость в уточнении периода модуляции связана с тем, что ионосфера Земли вносит свой вклад в измеряемые для пульсаров значения RM. Измерение периода модуляции для данного сеанса наблюдений обычно проводилось по спектру, соответствующему максимуму амплитуды интегрального импульса. На втором этапе, включающем поляризационные измерения вдоль интегрального и индивидуальных импульсов, уточненное значение Р р задавалось в программе POLAR как постоянная величина, что позволяло повысить точность определения других неизвестных.
Анализ частотной зависимости степени линейной поляризации интегральных импульсов пульсаров
В этом разделе мы представляем поляризационные профили ряда пульсаров и сравниваем их с данными на высоких частотах. Поляризационные профили усредненных импульсов отличаются большим разнообразием от пульсара к пульсару и заслуживают краткого комментария к каждому из них. Для некоторых пульсаров поляризационные характеристики усредненных импульсов обсуждались одновременно с характеристиками индивидуальных импульсов в главе 2. Там же приведены профили степени и угла ли нейной поляризации усредненных импульсов. Для этих пульсаров в данном разделе мы, в основном, комментируем частотную зависимость СЛП.
PSR 0031-07 (Рис.2.1). Однокомпонентный профиль интенсивности пульсара на частотах 400 МГц с понижение частоты быстро трансформируется в двухкомпонентный. На 60 МГц он уже имеет два хорошо разрешенных компонента примерно одинаковой амплитуды, но отличающихся по поляризационным свойствам. СЛП излучения пульсара в диапазоне 60-5-26 5 0МГц монотонно растет с понижением частоты с индексом деполяризации а = - 0.6 (рис.3.7). Ожидаемое значение критической частоты смещается на частоты 60 МГц.
В0138+59. (Рис.3.2) Кроме главного компонента, усредненный импульс имеет невидимые на высоких частотах слабый предшествующий импульс (на расстоянии 28 град) и соединяющий его с главным "мост" излучения. Поляризация главного компонента слабая (16%) и не отличается от его поляризации на частотах 1720 МГц (PL = 19%) и на 2650 МГц (PL = 16%) (Morris е t.al. 1981a). Наибольшая СЛП наблюдается в области "моста", как это происходит у многих пульсаров с классическими двойными профилями интенсивности в области седловины. В разных сеансах наблюдений в профиле ПУ наблюдаются многократные скачкообразные изменения. Одной из возможных причин этого может быть присутствие в профиле интенсивности этого пульсара нескольких неразрешенных компонент, имеющих отличающиеся позиционные углы.
В диапазоне 400 - 2650 МГц СЛП растет с индексом -0.3. Частота 400 МГц, по видимому, является критической, поскольку при уменьшении частоты до 103 МГц дальнейшего роста СЛП не наблюдается (рис.3.7). В0320+39. (Рис.2.1). Один из самых долгопериодических пульсаров был обнаружен в ПРАО (Извекова и др. 1982). Поляризационные измерения, проведенные вскоре его обнаружения, позволили впервые определить меру
Фарадеевского вращения в направлении этого пульсара RM=60±2 рад/м (таблица 3.3). Были измерены поляризационные характеристики усредненных импульсов и дрейфующих субимпульсов на 103 МГц (см. главу 2). Частотная зависимость СЛП этого пульсара не построена из-за отсутствия данных на других частотах. В0329+54 (Рис. 3.5 и 3.6). Наблюдения на 61 и 87 МГц.
Поток от пульсара В0329+54 быстро падает на частотах ниже 100 МГц. При мере дисперсии DM=26.776 пк/см3 уширение импульса в полосе канала 20 кГц на частоте 87 МГц равно 4.5 мс, а в полосе канала 5 кГц на частоте 61 МГц равно 3.5 мс. Кроме того, на частоте 61 МГц импульс заметно уширен межзвездным рассеянием. Это особенно заметно при сравнении усредненных профилей на 103 и 61 МГц, показанных на рис.3.5. На рисЗ.6 приведены интегральный профиль ПУ на 87 МГц и для сравнения профиль на 103 МГц.
С оговоркой на эффект уширения импульса можно сказать, что поляризационные профили на 61 и 87 МГц по сравнению с 103 Мгц сохраняют свои основные признаки, включая скачок ПУ на 90 между компонентами III и IV и высокую поляризацию этих компонентов. Измерения на частотах 87 и 61 МГц на ДКР-1000 подтверждают наш вывод об усилении вторичной поляризационной моды в боковых компонентах импульса этого пульсара на частотах 100 МГ, полученный при наблюдениях на радиотелескопе БСА ФИАН (Сулейманова, Пугачев 1998).
На частоте 61 МГц линейная поляризация надежно измеряется только для центрального компонента импульса; по трем дням наблюдений СЛП(Ш) = 45% со стандартным разбросом ±5%, N = 3. Это выше, чем на 103 МГц, где СЛП(Ш) = 39+3%, N = 7. Усредненное значение линейной поляризации на частоте 103 МГц всего профиля, включающего все компоненты СЛП(І+ІІ+ІІІ+ІУ) = 46 ± 3%, N = 6, т.е. слабые компоненты добавляют 7% к поляризации интегрального профиля. Если поляризация этих компонентов на 60 МГц не уменьшается, можно ожидать на этой частоте CJH1(I+II+III+IV) « 52% (45%+7%). Это значение использовано при построении частотной зависимости СЛП на рис.3.10.
В результате поляризационных измерений пульсара В0329+54 на частоте 103 МГц (Сулейманова, Пугачев 1998) было обнаружено, что частотное поведение СЛП усредненного импульса данного пульсара носит сложный характер. Эти результаты, дополненные данными измерений на 61 и 87 МГц, будут подробно изложены ниже в отдельном разделе 3.4.
Расстояние между компонентами III и IV в диапазоне 240 - -10700 МГц слабо зависит от частоты со средним значением около 10 мс (Sieber et.al. 1975), а по нашим данным даже уменьшается с длиной волны, но ниже частоты 240 МГц быстро растет: S(III-IV) =12.7 (103 МГц), 13.0 (87 МГц) и 15.5 (61 МГц). Связь между изменениями формы и поляризацией интегрального импульса пульсара В0329+54 будет обсуждаться в разделе 3.4 а также в главе 6.
Обнаружение двух мод интегрального импульса пульсара В0943+10 на метровых волнах
Данная глава посвящена обнаружению явления «переключения мод» в пульсаре В0943+Ю (Сулейманова, Извекова 1984). В ней представлены также результаты исследования особенностей этого явления на низких радиочастотах. Основная часть результатов была получена по наблюдениям на радиотелескопах ПРАО ФИАН на частотах 40, 60 и 103 МГц и опубликована в работах Сулейманова, Извекова 1984; Сулейманова, Извекова 1996, Rankin, Suleymanova et.al. 2003. Кроме этого, приводятся результаты наблюдений пульсара В0943+10, проведенных в Обсерватории Аресибо (США), при участии автора на более высокой частоте 430 МГц (Suleymanova et.al. 1998).
Как было сказано выше в главе 1, переключения от одной формы усредненного импульса к другой наблюдаются у очень ограниченного числа пульсаров. В результате таких переключений, происходящих случайно во времени, наблюдаются попеременно две (реже — три) характерные формы (моды) усредненного импульса. Однако переключениями между двумя формами импульса дело не ограничивается. Одновременно с изменением формы меняются практически все характеристики импульсов: интенсивность, положение (фаза) компонентов, их относительная интенсивность, характер дрейфа субимпульсов и поляризация. Все это дает основание говорить о переключениях режима излучения в целом.
Первые два пульсара с явлением «переключения мод» были обнаружены еще в начале семидесятых годов: PSR В1237+25 (Backer, 1970), PSR B0329+54 (Lyne, 1 971). Наибольшее количество переключающихся пульсаров было обнаружено в 80-е годы: В0355+54 (Morris et.al., 1980), В1822-09 (Fowler et.al. 1981), В1926+18 (Ferguson et.al., 1981), B2319+60 (Wright, Fowler, 1 981a) В 1612+07 (Armstrong, 1 982), B0943+10 (Сулейманова, Извекова, 1984), PSR В173 7+13 (Wolszczan, 1984), PSR В1917+00 и B0540+23 (Nowakowski 1990). Еще четыре пульсара: PSR Bl 133+16 и PSR B2045-16 (Helfand et.al., 1975), B0031-07 (Wright, Fowler, 1981b) и B0611+22 (Nowakowski, 1990) некоторые авторы относят к переключающимся пульсарам, хотя их модальное поведение не выражено так очевидно, как для 11 пульсаров основной группы. В последнее десятилетие не было обнаружено ни одного нового переключающегося пульсара.
Ограниченность числа пульсаров этого класса вызывает к ним пристальное внимание исследователей. Форма проявления эффекта переключения мод очень разнообразна и поэтому каждый новый пульсар с эффектом переключения мод способствует приближению к пониманию природы таких переключений. С этой точки зрения поиск новых пульсаров этого класса и их комплексное изучение является важной задачей пульсарной астрономии.
Почти все, что известно о пульсаре В0943+10, включая его обнаружение (Виткевич и др., 1969), получено в результате наблюдений в ПРАО. Необычно крутой спектр делает этот пульсар одним из самых ярких пульсаров на низких частотах. Радиопоток имеет максимальное значение на 60 МГц и быстро убывает с частотой с показателем степени n=—2.9. PSR В0943+10 входит в десятку пульсаров, имеющих такой крутой спектр (среднее значение п= -1.5 для выборки из 235 пульсаров) (Малофеев, 1999, Малофеев и др. 2000). В результате этого, в публикациях по наблюдениям на частотах выше 430 МГц (Cornelia 1971, 600 МГц и Weisberg et.al. 1999, 1420 МГц) информация об этом пульсаре ограничивается только значениями потоков, измеренными после длительного накопления сигнала.
Необычно крутой спектр этого пульсара во многом предопределил не только его обнаружение в 1968 г. именно на метровых волнах в Пущинской обсерватории, но и обнаружение эффекта переключения мод в этом пульсаре спустя 12 лет после этого.
Этот раздел посвящен обнаружению эффекта переключения мод в пульсаре 0943+10 и результатам исследования основных характеристик этого пульсара в каждой из двух мод в метровом диапазоне волн.
