їі : 99- / *
Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской академии наук
Официальные оппоненты:
РОССИЙСКАЯ ГО С УД А Г- с ТВ £ •; и А я ВЙ5ЯЙ0Т2КД
о ъъю-оо
у Ведущая организация:
доктор физико-матсметических наук
Г.С.Бисноватый-Когак,
доктор физико-матеметических наук
М.В.Поиов,
доктор физико-матеметических наук, профессор К.С.Станкевич
Физико-Технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН
Защита состоится « Л. » 1999 г. в /часов па
заседании Диссертационного совета Д.002.39.01 при Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской академии наук по адресу: 117924, Москва В-333, Ленинский проспект 53, ФИАН
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 «Я^»1999 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д.002.39.01 кандидат физ.-мат наук
Ковалев Ю.А.
и : 00- //4Ъ> ■ ■ -9
/ ” *
Оглавление
Общая характеристика работы
Актуальность темы........................................
Цель работы V ......................................................................
Основные положения, выносимые на защиту..................
Научная новизна..........................................
Научная и практическая значимость работы.................
Личный вклад автора..................................
Апробация, работы..................................................
Публикации ................*.......................................
1 Наблюдательная база и методика наблюдений.
1.1 Радиотелескопы метрового диапазона в Пущине..........
1.2 Приемная аппаратура метрового диапазона..............
1.3 Методика измерении плотностей потоков и интегральных профилей..............................................
1.4 Антенны и аппаратура дециметрового - Джодрелл Бэнк (Великобритания), Аресибо (США - Пуэрто-Рико) и де-хаметрового диапазона волн - Харьков (Украина). . . . ,
1.5 100-метровый радиотелескоп и приемная аппаратура сантиметрового диапазона в Эффелъсберге (Германия).
Выводы и результаты.............................................................
2 Измерение плотностей потоков и спектры пульсаров.
2.1 Одновременные наблюдения в диапазоне 17 - 1400 МГц .
2.2 Многочастотные измерения плотностей потоков в диапазоне 39 МГц - 10,7 ГГц..................................
2.3 Построение спектров и их классификация...............
КНИГА ИМЕЕТ
В переплет ноіРтд. соеднц. номера вып.
7—
з
3
4
4
б
7
8
-I л
IV
10
11
11
13
16
22
24
25
26
27
31
34
38
42
49
50
51
3.2 Измерение параметров в режиме сильных мерпаний (метровый диапазон радиоволн).............................. 54
3.3 Измерение параметров в режиме слабых мерцаний (сантиметровый диапазон).......................................58
3.4 Учет влияния межзвездной среды на измерения потоков. 61 Выводы и результаты......................................64
4 Интегральная радиосветимость и многочастотные исследования средних профилей пульсаров. 65
4.1 Измерение средних профилей..............................66
4.2 Зависимость ширины профиля от частоты и ее связь со спектром.................................................. 70
4.3 Вычисление интегральной радпосветимости.................72
4.4 Связь интегральной радиосветимости с другими параметрами пульсаров.......................................... 74
4.5 Функция светимости и число пульсаров в Галактике. . . 77 Выводы и результаты......................................80
5 Пекулярные пульсары. 81
5.1 РБК 11334-16......................................... 81
5.2 РБИ 06434-80 ........................................ 83
5.3 РЭИ 1451-68 ......................................... 85
5.4 РвИ 1822-09 ........................................ 88
5.5 РБЯ 106334-1746 (Геминга)............................ 94
5.5.1 Средние и индивидуальные импульсы..............95
5.5.2 Спектр и светимость.............................98
5.5.3 Эмпирическая модель............................100
Выводы и результаты .......................................101
Заключение ЮЗ
Список работ В.М.Малофеева по теме диссертации 104
Цитируемая литература 109
2
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Неожиданное обнаружение пульсаров в 1967 году несомненно является одним из самых выдающихся астрономических открытий XX века. Последующие интенсивные исследования сначала в радиодиапазоне, а затем в оптике, рентгеновском и гамма диапазонах дали начало актуальному и очень информативному направлению - исследованию нейтронных звезд.
Пульсар как активная фаза звезды на последних стадиях эволюции представляет огромный интерес для астрофизических исследовании. Это строение магнитосферы и механизмы энерговыделения во всем электромагнитном диапазоне волн, источник космических лучей с плохо изученной эволюцией и распределением по Галактике и т.д.
Не меныгдай интерес эти объекты вызывают с точки зрения общефизического и прикладного значения. Это естественные космические лабораторий со сверхплотным состоянием вещества и свсрхсильными магнитными и электрическими полями, с релятивистскими скоростями движения вещества.
Пульсары оказались прекрасными зондами для исследования межзвездного вещества, а в будущем возможно и межгалактического. Поразительная стабильность частоты вращения делает эти источники независимыми часами, эталонами времени и тем самым позволяют исследовать эффекты общей теории относительности как в тесных двойных звездпых системах, так и использовать в качестве пробного инструмента при поиске гравитационных волн. Предельно малые угловые размеры позволяют с большой точностью определять координаты этих объектов для астрометрических и геофизичс'ских целей.
Большой лоток данных наблюдений, теоретических вычислений и моделей существенно продвинули наше понимание этих удивительных источников, о чем свидетельствует признание мирового сообщества -две Нобелевские премии, но постоянно добавляющиеся новые эффекты и целые классы новых объектов (миллисекундные пульсары, рентгеновские пульсары, магиетары) не снижают, а только поднимают актуальность этого направления. Это с одной стороны. А с другой,
3
- несмотря на 30-летние интенсивные исследования, мы до сих пор не знаем точных ответов на многие вопросы: каковы механизм излучения, структура магнитосферы и локализация области излучения, с какими периодами рождаются пульсары и хах они эволюционируют, есть ли принципиальное х>азличие между обычными и миллисекундными пульсарами, в чем особенность магнетаров и т.д.
Цель работы.
Основной задачей работы являются многочастотные измерения и исследования энергетических параметров пульсаров во всем радиодиапазоне с целью получения новых данных о механизме радиоизлучения и эволюции этих объектов. В работу вошли главы, где рассмотрены и представлены следующие результаты.
- наблюдательная база, включая радиотелескопы и приемную аппаратуру, методика наблюдений и обработки данных, оценка ошибок (глава 1)
- многочастотное измерение плотностей потоков от 16 МГц до 10,7 ГГп, построение и исследование спектров (глава 2)
- исследование межзвездной среды (МЗС) и учет ее влияния на измерение потока и средних профилей пульсаров (глава 3)
- многочастотные измерения и исследования интегральных профилей в диапазоне 39 МГц - 23,4 ГГц, вычисление и исследование интегральной светимости (глаза 4)
- исследование нескольких пульсаров с особенностями радиоизлучения (глава 5)
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Проведены массовые многочастотные измерения плотностей потоков в широком диапазоне частот от 39 (16) МГц до 10,7 (23) ГГц на радиотелескопах ПРАО АКЦ ФИЛИ (Пущино) совместно со специалистами из Бонна (Германия). На их основе построены
4
спектры 340 пульсаров и проведена их классификация. Обнаружены статистические зависимости характерных частот спектра как между собой, так и с периодом пульсара. Показано, что лучше других их объясняет механизм, основанный на ленгмюровских колебаниях.
2 Выявлены коррелированные флуктуации плотностей потоков пульсаров на масштабах от нескольких минут до нескольких месяцев (совместно с коллегами из Харькова, Джодрелл Бэнк и Бонна), а также повышенная активность излучения, вплоть до вспышек отдельных компонентов импульса, что свидетельствует о переменном характере излучения пульсаров.
3. Измерены интегральные радио светим ости 232 пульсаров и выявлены зависимости светимости и коэффициента трансформации от периода, пульсара, Построена функция светимости пульсаров и определены ее границы, оценено число существующих пульсаров и частота их рождения. .
4. Выявлено, ЧТО СВЯЗЬ длительности интегральных Профилей И'о х с частотой у большинства пульсаров может быть представлена одной - тремя степенными зависимостями. Найдена корреляция между спектральным индексом и изменением длительности интегрального профиля на частотах 100 - 400 МГц - полная энергия излучения в импульсе растет с длиной волны тем больше, чем меньше изменяется его длительность.
5. Подробно исследовано радиоизлучение гамма-рентгеновского пульсара Геминга на четырех частотах в метровом диапазоне радиоволн. Выявлено, что он имеет самый крутой спектр, самую низкую радиосветимость среди всех известных пульсаров и крайне нестабильный характер излучения (поток, длительность и фаза прихода импульса).
6. Выявлен ряд пекулярных объектов, у которых отдельные компоненты интегрального импульса и интеримпульсы одного и того же пульсара имеют существенно разные спектры, разные масштабы микроструктур, разные зависимости длительности ком-
понентов с частотой и потока со временем. Все эти факты свидетельствуют о разных источниках излучения для отдельных компонент (совместно со специалистами из Германии, Греции, Польши, США).
7. Показано, что, основываясь на измерениях и ис следов алиях параметров мерцаний в слабом и сильном режимах, электронная составляющая МЗС является статистически однородной на масштабах меньше 1 кщс и становится существенно неоднородной на больших расстояниях, а трехмерный спектр флуктуаций электронной плотности может быть описан степенной зависимостью с показателем степени /3 > 4 на масштабах 109 —1011 см, что указывает на отличие этого спектра от колмогоровского (совместно с коллегами из Германии).
8. Разработана и применена методика оптимального измерения плотностей потоков пульсаров в метровом диапазоне волн. Проведен анализ и учет влияния мерцаний на неоднородностях МЗС на эти измерения. Рассмотрены и оценены возможные ошибки измерений.
Научная новизна.
Все перечисленные ниже результаты получены впервые.
1. У нескольких пульсаров обнаружены коррелированные изменения потока в широком диапазоне частот (25 - 1420 МГц), кроме того, обнаружен вспышечный характер излучения либо самого импульса (Геминга), либо отдельных компонент (РвВ. 1133+16 и 0643+80), что свидетельствует о переменном характере излучения пульсаров.
2. У большого числа пульсаров обнаружен завал в спектрах на низких частотах и излом на высоких, найден пульсар (1822-09), у которого спектр может быть описан тремя степенными зависимостями. Проведена классификация и выделено три класса спектров пульсаров. Получены статистические зависимости характерных частот в спектрах между собой, а также с периодом пульсара.
6
3. Выявлен уникальный характер радиоизлучения пульсара Гсмин-га. отличающий его от всех пульсаров. - сверхкрутой спектр, большой разброс длительностей и фаз прихода индивидуальных и интегральных импульсов.
4. У PSR 1822-09 обнаружена микроструктура разного масштаба, подобная форма спектра к коррелированное поведение потоков и длительности одного из компонентов главного импульса ц иыте-римпульса. •
5. Вычислены интегральные светимости и обнаружена их связь с периодом пульсара.
6. Анализ длительностей интегральных профилей в широким диапазоне частот показал, что на высоких частотах она слабо зависит от частоты, а на низких частотах длительность растет по степенному закону тем сильнее, чем более плоский спектр имеет объект.
7. Измерены полосы декорреляции импульса для нескольких пульсаров в режиме сильных мерцаний (метровый диапазон), а также индексы мерцаний и радиусы временных корреляций впервые на очень высоких частотах (4,7, 10,6 ГГц) в режиме слабых мерцаний (17 пульсаров).
8. Разработана методика измерения плотностей потоков пульсаров с учетом особенностей радиотелескопов ПРАО и учетом влияния межзвездных мерцаний.
Научная и практическая значимость работы.
Результаты многолетней работы по исследованию энергетических характеристик пульсаров широко используются ведущими наблюдателями и теоретиками как в России, так и за рубежом, например, Arons J., Assco E., Backer D., Caraveo P., Cordes J., Halpern J., Lyne A., Manchester R.j Michel F., Rankin J., Rickett B., Sieber W., Taylor J., Wielebinski R., Wolszczan А. Всего по теме диссертации имеется более 50 положительных ссылок, в основном, в ведущих зарубежных журналах (папример, Manchester R.N., Taylor J.H. Astron. J. V.86, p.1953,
1981; Barnard J., Arons J. Astrophys.J., V.302, p.138, 1986; Lorimer D.R., Lyne A.G. et al. MNRAS, V.273, p.411, 1995; Kramer M., Xiiouris K.M., Rickett B. Astron h Astrophys.J. V.321, p.513, 1997; Mattox J.R., Halpern J.P., Caraveo P. Astrophys.J., V.493, p.891,1998).
Основные используемые результаты: плотности потоков, форма спектра, статистические зависимости характерных частот спектра, форма профилей, частотные зависимости, исследования интегральной светимости, характеристики излучения Геминги, исследование параметров мерцаний.и пространственное разрешение области излучения пульсаров.
Спектры пульсаров и интегральные профили являются основными характеристиками пульсаров и они используются при проведении прикладных работ по таймингу и астрометрическим измерениям, а методику измерения плотностей потоков и учет влияния мерцаний ка неоднородностях межзвездной среды можно рекомендовать как учебное пособие для молодых специалистов и аспирантов.
Личный вклад автора.
Во всех новых результатах, которые вынесены на защиту, вклад автора является основным.
Им поставлена задача и проведены массовые измерения плотностей потоков и их анализ на радиотелескопах метрового диапазона волн в Путино, а также дециметрово-сантиметрового диапазона на РТ-1000 (Бонн, Германия), совместно с немецкими и греческими коллегами. Им предложены и проведены измерения плотностей потоков на радиотелескопах ДКР-1000 и БСА, построены спектры по объединенным данным и сделан их анализ в одновременных измерениях спектров с А.Д.Кузьминым, Ю.П.Шитовым и коллегами из Джодрелл Бэнк (Англия) и Харькова (Украина).
Автором построены компиляционные спектры 340 пульсаров и проведена классификация по 127 наиболее богатых измерениями в широком диапазоне частот, им найдены статистические зависимости между характерными частотами спектра и периодом пульсара. Совместно с И.Ф.Маловым проведено сравнение с теоретическими предсказаниями спектров.
РОССИЙСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННА!
БИБЛИОТЕКА
Работы по вспышечному характеру компонент импульсов пульсаров были начаты под руководством В.В.Вкткевича, а затем продолжены по инициативе и при непосредственном участии автора
На основе полученных им спектров измерены интегральные све тимости большого числа пульсаров и выявлены зависимости этого параметра и коэффициента трансформации от периода пульсара. Совместно с И.Ф.Малозым и О.И. Маловьш получена функция светимости и оценено число пульсаров и частота их рождения.
Автором проведены основные наблюдения в метровом диапазоне, волн и совместно с В.А.Извековой, А.Д.Кузьминым, О.И.Маловьш, Ю.П.Шитовым, коллегами из Германии, Греции и США проведена обработка и сделаны массовые измерения интегральных профилей п широком диапазоне частот от 30 МГц до 23 ГГц. Им проведен анализ частотной зависимости измеренных и собранных по опубликованным данным интегральных профилей и обнаружена связь спектрального индекса с увеличением длительности профиля на низких частотах.
Автором подробно исследовано радиоизлучение пульсара Геминга на четырех частотах метрового диапазона волн. Измерены потоки, длительность и фаза прихода импульсов, сделав вывод обуникаяьйо-сти этого объекта. Совместно с О.И.Маловьш проведены наблюдения, обработка данных и исследования вариаций потока.
Автором поставлена задача и выполнена большая часть анализа по комплексному исследованию Р811 1822-09, а наблюдения и обработка выполнены совместно с немецкими и греческими коллегами; интерпретация осуществлялась с Й.Ф.Маловым, грузинскими и польскими специалистами.
В совместной с китайскими и американскими коллегами работе по РЭИ. 1451-68 вклад автора заключался в покомпонентном анализе спектра по собранным им измерениям плотностей потока и совместном обсуждении результатов.
Под руководством автора был создан узкополосный многоканальный анализатор спектра, на котором им были проведены наблюдения мерцаний на радиотелескопе БСА и совместно с Т.В.Смирновой проведена обработка'и анализ данных. Автором была поставлена задача (с теоретическим обоснованием В.И.Щишова) и совместно с коллегами из Бонна проведены уникальные наблюдения мерцаний пульсаров
9
- Київ+380960830922