Радіовипромінювання пульсарів у декаметровому діапазоні хвиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Головна астрономічна обсерваторія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність 01.03.02 - Астрофізика, радіоастрономія

Радіовипромінювання пульсарів у декаметровому діапазоні хвиль

Ульянов Олег Михайлович

Київ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної Академії Наук України, м. Харків.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, Брук Юрій Маркович, Радіоастрономічний інститут НАН України, старший науковий співробітник.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік НАН України, Брауде Семен Якович, Радіоастрономічний інститут НАН України, науковий консультант директора.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Юхимук Адам Корнилович, Головна астрономічна обсерваторія НАН України, завідуючий відділом космічної плазми;

кандидат фізико-математичних наук, Мусатенко Сергій Іванович, Астрономічна обсерваторія Київського національного університету ім. Т.Г. Шевченка, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Кримська астрофізична обсерваторія, 334413, Крим, Бахчисарайський р-н, сел. Науковий.

Захист дисертації відбудеться “21” жовтня 1999 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України (252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАНУ).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної астрономічної обсерваторії НАН України (252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАНУ).

Автореферат розісланий “ 18 ” вересня 1999 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради, кандидат фізико-математичних наук Гусєва Н.Г.

1. Загальна характеристика роботи

радіовипромінювання пульсар декаметровий магнітосфера

Актуальність теми.

На нинішній час загальноприйнята точка зору щодо пульсарів полягає в тому, що пульсар - кінцевий продукт еволюції, який залишається після вибуху наднової зірки. Пульсари - це єдиний клас астрофізичних об'єктів, що має імпульсний і високостабільний характер випромінювання у широкому діапазоні частот.

Ще у перших своїх роботах відкривачі пульсарів - А.Hewish, S.J.Bell та інші ототожнили радіопульсари з нейтронними зірками. Подальші спостереження та теоретичні роботи у цьому напрямі дозволили уявити стан магнітосфери пульсара, наявність в ній ультрарелятивістської електрон-позитронної плазми, стан ядра нейтронної зірки та відповісти на інші загальні питання. Але на багато запитань стосовно пульсарів відповіді ще не отримані. Найбільш актуальним залишається питання про природу їх випромінювання. Ми не можемо чекати швидких та легких відповідей на це запитання, бо неможливо досягти у земних умовах параметрів плазми та напруженості електромагнітного поля, що наближаються до пульсарних. Окрім цього, поблизу пульсарів електрон-позитронна плазма рухається з ультрарелятивістською швидкістю у потужному магнітному полі, і ця обставина ускладнює відповідні теоретичні дослідження. Отже, конче потрібно продовжувати спостереження пульсарів в усіх доступних діапазонах, у тому числі і декаметровому.

Традиційно центр ваги у спостереженнях та теоретичних дослідженнях пульсарів знаходиться у більш високочастотному діапазоні хвиль, ніж декаметровий. Це - метровий, дециметровий, сантиметровий, та міліметровий діапазони. Декаметровий діапазон є найважчим для досліджень з точки зору впливу різних перешкод, як то: короткохвильові станції, грози, іоносферне блокування, а також впливу самого міжзоряного середовища на параметри радіохвиль. Дослідження у цьому діапазоні є гранично можливими з поверхні Землі. Водночас, саме декаметрові спостереження дозволяють отримувати інформацію з верхніх шарів магнітосфери пульсара. Наявність імпульсного випромінювання робить пульсари добрими зондами не тільки міжзоряного середовища, але й самої магнітосфери пульсарів та пульсарного вітру.

Таким чином, проводячи спостереження пульсарів у декаметровому діапазоні хвиль, накопичуючи інформацію про властивості радіовипромінювання пульсарів у цьому діапазоні, інтерпретуючи отримані дані та відповідаючи на низку до недавнього спірних питань, зроблено внесок у побудову взаємоузгодженої моделі радіовипромінювання пульсарів, чим і обумовлюється актуальність обраної теми досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що складають зміст даної дисертації, виконані у Радіоастрономічному інституті НАН України за темами “Галактика” та “Парсек”. Виготовлення необхідної апаратури та розробка математичного забезпечення виконувались за темами “ШАУ”, “Уран” та НДР “Пульсар”. Поляризаційні спостереження отримані у рамках міжнародного проекту INTAS “The study of pulsars (neutron stars) and their applications in investigations of general relativity”.

Метою даної дисертації є отримання нової інформації про радіовипромінювання пульсарів у декаметровому діапазоні хвиль; локалізація джерела генерації декаметрового випромінювання у магнітосфері пульсара; отримання нової інформації про міжзоряне середовище та отримання поляризаційних характеристик радіовипромінювання пульсарів у декаметровому діапазоні; розробка методів реєстрації та аналізу низькорівневих сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше проаналізовано вплив обертання пульсара на спостережуване від нього радіовипромінювання; показано, що, застосовуючи багаточастотні спостереження, можливо зондувати магнітосфери пульсарів; вперше сформульована задача тривимірного зондування магнітосфери пульсара;

розроблено та впроваджено новий алгоритм оцінки міри дисперсії в умовах низького співвідношення сигнал/шум; вперше у декаметровому діапазоні проведено дослідження модальної структури радіовипромінювання пульсарів;

зареєстрована модуляція радіовипромінювання чотирьох пульсарів з періодами, що відрізняються від основних періодів цих пульсарів; вперше зареєстрована значна флуктуаційна компонента випромінювання п'яти пульсарів у декаметровому діапазоні;

вперше отримані оцінки потужності континуального радіовипромінювання, зареєстрована тонка структура мерехтіння й отримані поляризаційні характеристики радіовипромінювання PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 у декаметровому діапазоні.

Практичне значення одержаних результатів. Була розроблена апаратура для реєстрації низькорівневих імпульсних сигналів, які мають спектр потужності на 10-20 дБ нижчий за рівень галактичного фону. Розроблені програми реєстрації та аналізу, які включають в себе алгоритми боротьби з різноманітними радіоперешкодами. Це дозволяє проводити спостереження пульсарів в умовах високого рівня перешкод. На нинішній час система реєстрації, що була розроблена, є штатною на радіотелескопі УТР-2.

Отримано авторське свідоцтво за розробку підсилювача. Цей підсилювач був впроваджений в системі підсилювання УТР-2 та у серійне виробництво на Харківському заводі “Протон” і на Калузському радіозаводі.

Математичне забезпечення, що було розроблене у ході виконання цієї дисертації, з успіхом використовується у нових міжнародних програмах за участю України, Росії, США, які пов'язані з радіолокацією Сонця та Місяця.

Особистий внесок здобувача:

запропоновано та впроваджено урахування обертання пульсара при аналізі характеристик його випромінювання; отримана чисельна оцінка кута між віссю обертання та магнітною віссю для PSRB 0809+74; спільно з групою Ю.П. Шитова (АКЦ ФІ РАН) проведені спостереження впливу кінематичних явищ на радіовипромінювання пульсарів;

у співавторстві з Ю.М. Бруком та Б.Ю. Устименко запропоновано та впроваджено метод оцінки міри дисперсії в умовах реєстрації слабких імпульсних сигналів; скорегована оцінка для міри дисперсії PSRB 1530+27; запропоновано та впроваджено кілька методів боротьби з широкосмуговими радіоперешкодами;

у співавторстві з Ю.М. Бруком досліджені довготно-частотні властивості п'яти пульсарів та зареєстрована значна флуктуаційна компонента їх декаметрового радіовипромінювання; зареєстрована модуляція радіовипромінювання чотирьох пульсарів з періодами, що не кратні основним; розроблено кілька методів інтерполяції континуальної складової радіовипромінювання пульсарів та зроблені оцінки такої складової для PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 у декаметровому діапазоні;

здобувачем зареєстрована тонка структура мерехтіння PSRB 0809+74;

здобувачем запропоновано та впроваджено метод поляризаційних досліджень на радіотелескопі УТР-2 з лінійно поляризованими вібраторами; вперше у декаметровому діапазоні були отримані поляризаційні характеристики PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16;

усі спостереження пульсарів з 1984 по 1995 рік здобувач вів спільно з Ю.М Бруком, а з 1995 року усі дослідження здобувач проводив особисто;

необхідне математичне забезпечення для цієї дисертації розроблено здобувачем особисто; при розробці приймальної апаратури здобувачем проведені розрахунки стійкості системи підсилювання та виготовлений низькочастотний блок реєстрації радіовипромінювання пульсарів.

Апробація результатів дисертації пройшла на таких конференціях:

XVII та XXI всесоюзних конференціях по радіоастрономічній апаратурі та методам. Єреван (Вірменія). - 1985., - 1989.

XIX всесоюзній радіоастрономічній конференції з галактичної та позагалактичної радіоастрономії. Таллінн (Естонія). - 1987.

XVII та XVIII європейських конференціях молодих радіоастрономів. Харків. - 1989., та Гвадалахара (Іспанія). - 1990.

Колоквіумі МАС з пульсарів № 128. Лагов (Польща). - 1990.

XXV та XXVI радіоастрономічних конференціях СНД. Пущино та Санкт-Петербург (Росія). - 1993., - 1995.

Публікації. Основні результати дисертації викладено у 21 друкованій роботі (з них статей в наукових журналах - 5, авторське свідоцтво -1, тез та праць конференцій - 15).

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, одного додатку та списку використаної літератури. Це становить 125 сторінок основного тексту, 66 малюнків, 3 таблиці, 37 сторінок додатку та 134 назви бібліографічних джерел на 12 сторінках.

2. Зміст роботи

У вступі сформульовані задачі, які мають бути вирішені у ході дослідження пульсарів, обґрунтована актуальність обраної теми дисертації, сформульована мета досліджень, обрані методи досліджень та стисло приведено їх зміст. Показано зв'язок дисертаційної роботи з іншими роботами, що виконуються в суміжних напрямках. Підкреслено новизну досліджень, що пропонуються. Висвітлено основні результати, що отримані у ході виконання цієї роботи.

У першому розділі розглянуто головні особливості, які відрізняють декаметровий діапазон від усіх інших та обґрунтована методика реєстрації радіовипромінювання пульсарів у вибраному діапазоні досліджень.

Основна увага приділена аналізу обертання пульсара у чотирьохвимірному просторі та впливу цього обертання на спостерігаємо від пульсару радіовипромінювання. Отримані відповідні аналітичні співвідношення, за допомогою яких цей вплив можна обчислити. Розроблено метод зондування верхньої магнітосфери пульсара. Показано, що при проведенні багаточастотних спостережень з високою роздільною здатністю по довготі пульсара є можливість провести локалізацію областей генерації у його магнітосфері. Також показано, що особлива роль у таких спостереженнях належить метровому та декаметровому діапазонам. Проведено порівняльний аналіз попередніх робіт, які були присвячені спробам локалізації областей генерації у магнітосферах пульсарів, з результатами, що отримані в цій дисертаційній роботі. Основні розбіжності з попередніми роботами виникають у верхніх шарах магнітосфери пульсара. Саме у цій області вплив обертання пульсара на його радіовипромінювання найбільш контрастний. Але у вказаній області потрібно враховувати обмеження, які накладає теорія відносності, чого раніше не робилося. Дана дисертація усуває цей недолік.

У першому розділі приведені результати спостережень PSRB 0809+74, які підтверджують реєстрацію впливу обертання на радіовипромінювання цього пульсара. Проведені чисельні розрахунки для чотирьох можливих сценаріїв руху генеруючої області у магнітосфері пульсара та отримані оцінки висоти й місцезнаходження генеруючої області. Зроблені оцінки кута між магнітною віссю та віссю обертання пульсара . Показано, що для PSRB 0809+74 цей кут знаходиться у діапазоні від 20 до 50 і не може бути близьким до 90. Таким чином, ми отримали новий спосіб оцінки кута між основними вісями пульсара. Цей спосіб доповнює вже існуючі, які спираються на поляризаційну та морфологічну інформацію про радіовипромінювання пульсара. Запропонований спосіб спирається на аналіз динамічних спектрів пульсарів. Наші оцінки кута , для PSRB 0809+74 добре узгоджуються з оцінками, що були отримані в попередніх роботах.

У висновках до цього розділу показано, що зі зростанням точності в оцінках міри дисперсії виникає необхідність урахування кінематичних поправок в параметрі, який оцінюється. Ці поправки залежать від умов розповсюдження генеруючої області у магнітосфері пульсара, а сам спосіб генерації не дуже суттєвий. Це дає змогу відповісти на дуже прості питання: де в магнітосфері пульсара генерується радіовипромінювання на тій чи іншій частоті, та який кут між віссю обертання та магнітною віссю? Таким чином, у спостерігачів з'являється можливість тестування різних теорій генерації радіовипромінювання пульсарів.

Дисертаційна робота знімає кілька протиріч між оцінками висот генерації, що отримані зі спостережень, та вимогами більшості існуючих теорій радіовипромінювання пульсарів. Зроблений нами аналіз показав, що слід очікувати відрив радіовипромінювання від електрон-позитронної плазми на частотах 400-100 МГц з висот, що перевищують 0.1 RСЦ (де RСЦ - це радіус світлового циліндру), а у декаметровому діапазоні зі значно більших висот.

У другому розділі розроблено метод вимірювання міри дисперсії пульсара по фазі перетворення Фур'є. Головною особливістю цього методу є те, що при оцінюванні міри дисперсії ми маємо змогу користуватися тільки найпотужнішими гармоніками сигналу, збільшуючи тим самим співвідношення сигнал/шум. При цьому аналізується інтегральна поведінка відгуку системи реєстрації по великому колу можливих значень міри дісперсії. Показано, що цей метод доцільно використовувати в умовах низького співвідношення сигнал/шум. Уточнена оцінка міри дисперсії для PSRB 1530+27.

У цьому розділі повідомляється про реєстрацію трьох раніше незареєстрованих у декаметровому діапазоні пульсарів (PSRB 0823+26, PSRB 0943+10 та PSRB 1530+27). Для кожного з цих пульсарів було проведено аналіз довготно-частотної структури його випромінювання. Отримані параметри порівнювались з параметрами, що були зареєстровані у більш високочастотних діапазонах. Загальною рисою усіх цих пульсарів є сильна спорадичність їх радіовипромінювання.

Зареєстровано прогресивне розширення імпульсної компоненти в середніх профілях пульсарів, яке пов'язане зі зниженням частоти спостережень. У PSRB 0823+26 імпульсну компоненту від континуальної можна відрізнити лише умовно. У радіовипромінюванні PSRB 0823+26 та PSRB 0943+10 були зареєстровані модулюючі складові з періодами, що відрізняються від основного, відповідно для кожного пульсара. Ця реєстрація була підтверджена не тільки за допомогою аналізу середніх профілів та динамічних спектрів, але й за допомогою спектрального матричного аналізу. Завдяки останньому було виявлено значиму, у порівнянні з шумовою, різницю в енергетиці спектрів усереднених автоковаріаційних матриць радіовипромінювання пульсара для парних та непарних періодів.

У цьому ж розділі проведено аналіз модальної структури радіовипромінювання спостережених пульсарів. До нинішнього часу описи модальності в структурі радіовипромінювання пульсарів спиралися на різницю у морфологічних ознаках цього випромінювання, або констатували відносно різку зміну параметрів цього випромінювання. Чисельних же критеріїв, що дозволяють виміряти ступінь модальності радіовипромінювання пульсарів, не було. З іншого боку, у лінійній алгебрі давно існують процедури ортогоналізації та нормування типу Грамма-Шмідта, які можна адаптувати та використовувати як критерії модальності, що й було зроблено та застосовано до аналізу радіовипромінювання PSRB 0823+26 та PSRB 0943+10.

У висновках до другого розділу показано, що спостережувані властивості радіовипромінювання трьох досліджених пульсарів відрізняються від спостережуваних у більш високочастотних діапазонах. Для двох пульсарів PSRB 0823+26 та PSRB 0943+10 зареєстрована черезперіодна модуляція сигналу. PSRB 1530+27 та PSRB 0823+26 мають модальну структуру радіовипромінювання, а для PSRB 0943+10 її зареєструвати не вдалося. Морфологічні зміни у динамічному спектрі PSRB 0943+10, які були зареєстровані у декаметровому діапазоні, не відповідають режиму перемикання мод цього пульсара у метровому діапазоні (імовірно, внаслідок меншого співвідношення сигнал/шум).

У третьому розділі проведено аналіз довготно-частотної структури двох “тестових” пульсарів PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16. Зареєстрована черезперіодна модуляція інтенсивності радіовипромінювання PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16. Отримані енергетичні характеристики флуктуаційного випромінювання обох пульсарів.

У зв'язку з дискусією про місце міжімпульсного радіовипромінювання пульсарів, було проведено аналіз гістограм розподілу вірогідності реєстрації інтенсивності їх радіовипрмінювання вздовж середніх профілів обох пульсарів. Всупереч двом крайнім точкам зору, перша з яких повідомляла про існування інтенсивного міжімпульсного випромінювання на фіксованих довготах середнього профілю, а друга взагалі заперечувала його існування, було показано, що реалізується проміжний варіант. У цьому варіанті міжімпульсне випромінювання існує майже на усіх довготах середнього профілю, але імовірність його реєстрації різна для різних довгот. Встановлено наявність високоінтенсивних спалахів радіовипромінювання для обох пульсарів у діапазоні близько 25 МГц з малою вірогідністю реєстрації.

Проведено кореляційний аналіз радіовипромінювання пульсарів PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16. Цей аналіз дозволив зареєструвати в одновимірних та двовимірних кореляційних функціях обох пульсарів низькоінтенсивне широке (до 90) плато, а також отримати оцінки радіусів кореляції. Для пояснення спостережуваних особливостей кореляційних функцій нами висунуто дві гіпотези. Перша з цих гіпотез зводиться до того, що за наявність широкої низькоінтенсивної компоненти відповідає електрон-позитронна плазма, яка викидається за межі світлового циліндру. У цьому випадку кореляція обумовлена слабо регулярною компонентою магнітного поля поблизу пульсара. Друга гіпотеза припускає наявність рідких, але високоінтенсивних спалахів радіовипромінювання пульсарів в декаметровому діапазоні. Тоді за плато відповідає розсіяння випромінювання пульсара у верхніх шарах його магнітосфери як на регулярному градієнті густини плазми (модель Голдрайха - Джуліана - Старрока), так і на локальних неднорідностях цієї плазми.

Для вирішення питання, в який мірі розсіяння відповідає за наявність цього плато, було проведено порівняння поведінки високочастотних спектрів пульсарів PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 та залежностей ширин їх середніх профілів від частоти. Було показано, що завали високочастотних спектрів імпульсних компонент обох пульсарів корелюють з розширенням їх середніх профілів. Встановлено, що імпульсна компонента випромінювання цих двох пульсарів перетворюється в неперервне випромінювання.

Після проведених досліджень імовірним було очікувати, що у низькочастотному спектрі від пульсарів поширюється не тільки імпульсне, але й континуальне випромінювання. На жаль, у системі реєстрації, яка використовувалась нами, інформація про неперервне випромінювання втрачалась. Тому ми змогли провести лише інтерполяцію потужності цього випромінювання на частотах 25 МГц та 16.7 МГц для обох пульсарів. При проведенні такої інтерполяції ми використовували відому процедуру розкладу Волда, застосувавши її до отриманих нами данних, які когерентно накопичувались з подвійним періодом пульсара. Такий метод накопичення дозволив оцінити потужність шумової компоненти та відділити потужність імпульсної компоненти від шумової. Отримані нами оцінки показують, що потік неперервної компоненти може перевищувати потік імпульсної компоненти для обох пульсарів на 25 МГц та 16.7 МГц. Нами були проаналізовані карти галактичного фону поблизу місцезнаходження PSRB 0809+74. В результаті було виявлено два дуже слабкі об'єкта, які можуть претендувати на ототожнювання з PSRB 0809+74.

Для виявлення присутності навколопульсарної плазми біля PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 проведено аналіз мерехтіння радіовипромінювання цих пульсарів у декаметровому діапазоні. Справа у тому, що рухаючись із надзвуковою швидкістю відносно міжзоряного середовища, пульсари утворюють біля себе ударну хвилю. Для спостерігача ця хвиля має бути подібною до тонкого фазового екрану. Окрім цього, біля пульсарів обов'язково повинен утворюватися пульсарний вітер.

У кількох попередніх роботах, які зроблені у рентгенівському діапазоні, вказується на присутність невеликого гало біля ряду пульсарів. Однією з можливих інтерпретацій цих гало розглядалась саме наявність ударної хвилі, або пульсарного вітру. З іншого боку, дуже добре відомі мерехтіння пульсарів на неоднорідностях густини плазми міжзоряного середовища з відповідними до частоти спостережень смугами частотної декореляції, сталими часу та кутами розсіяння. Водночас треба якось розрізняти міжзоряні мерехтіння з мерехтінням інших типів, у тому числі з мерехтінням на близькій до пульсару плазмі. Критерієм є характерний час мерехтіння. Для мерехтіння на навколопульсарній плазмі він менший, ніж для мерехтіння на міжзоряній плазмі. Це ясно, якщо у першому наближенні рахувати відповідальними за мерехтіння неоднорідності з характерними масштабами, що близькі до першої зони Френеля.

Наші оцінки показали, що очікувані максимуми у спектрах мерехтіння обох пульсарів на неоднорідностях близької до пульсарів плазми, мають бути розташовані в інтервалі від 5.5 до 0.55 мГц. Для реєстрації спектрів мерехтіння ми застосовували автоковаріаційні функції радіовипромінювання обох пульсарів (це, як нам відомо, у дослідженнях мерехтіння ще не проводилось). Ці функції попередньо осереднювались для зменшення впливу флуктуацій самого пульсарного випромінювання. Справа в тому, що спектр мерехтіння мав замодулювати огинаючу радіовипромінювання пульсару, що й дало змогу виявити тонку структуру мерехтіння. Особливості цієї тонкої структури полягають в тому, що на відносно малому частотному розбігу огинаючої радіоімпульса, ми спостерігаємо різну ефективну ширину спектрів мерехтіння.

У висновках до третього розділу вказано, що у декаметровому діапазоні особливості радіовипромінювання пульсарів PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 можуть бути пов'язані з тим, що зона відриву цього випромінювання знаходиться у верхніх шарах магнітосфери обох пульсарів. Припускаючи цей факт, зрозуміло, що будь-який механізм розсіяння імпульсної компоненти випромінювання призведе до розширення середніх профілів та звуження смуги їхньої кореляції. Аналіз статистичних законів розподілу інтенсивності цього випромінювання також підтверджує цей факт.

Передбачається, що на низьких частотах слід чекати реєстрації неперервної компоненти у випромінюванні PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16. Зареєстровані флуктуаційні компоненти випромінювання обох пульсарів та модуляція їх радіовипромінювання, яка не співпадає з основним періодом для кожного з цих пульсарів.

Отримані спектри тонкої структури мерехтіння радіовипромінювання PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 у декаметровому діапазоні. Показано, що їх особливості узгоджуються з мерехтінням на неоднорідностях близької до пульсара плазми.

У четвертому розділі розроблено метод поляризаційних спостережень та обробки отриманої інформації для радіотелескопу УТР-2. Це було потрібно тому, що УТР-2 має лінійно поляризовані вібратори. Окрім цього, він розташований над поверхнею землі, що призводить до появи у реєстрованому відгуку інтерференційного доданку через відбитий від землі промінь.

Показано, що використання ефекту Фарадеєвського обертання площини поляризації дає змогу отримати майже усі поляризаційні характеристики випромінювання (наприклад параметри Стокса) на лінійно поляризованій антені. Дійсно, з точки зору теорії відносності байдуже, чи обертається антена навколо хвильового вектору, чи змінюється позиційний кут радіовипромінювання у системі спостереження антени. Саме остання обставина й лягла в основу запропонованого методу. Було показано, що для коректної оцінки усіх поляризаційних параметрів радіовипромінювання потрібно відновлювати постійну складову у цьому радіовипромінюванні. Тоді на лінійно поляризованій антені задача поляризаційних спостережень зводиться до задачі спектрального аналізу. В умовах сталості поляризаційних параметрів досліджуваного радіовипромінювання можливо збільшувати співвідношення сигнал/шум завдяки спектральному накопиченню. Проведено порівняння запропонованого методу з методами, які використовувалися для вирішення цієї ж задачі у метровому діапазоні хвиль.

Також приведено результати поляризаційних спостережень PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 (у декаметровому діапазоні аналогічні поляризаційні дослідження у світі ще не проводились). Для обох пульсарів були отримані оцінки значень мір обертання та їх середньоквадратичних відхилень. До нинішнього часу основну увагу приділяли тільки аналізу самої міри обертання. Але з ряду причин цей параметр є флуктуюючим. У цьому розділі акцентовано увагу на те, що саме значення середньоквадратичного відхилення цього параметру також несе інформацію про середовище розповсюдження радіовипромінювання.

Для PSRB 1133+16 міра обертання, що спостерігалася у декаметровому діапазоні, збіглася з мірою обертання, що відома з високочастотних спостережень. Несподіваним результатом виявилось те, що для PSRB 0809+74 вдалося зареєструвати дві поляризаційні моди з різним значенням мір обертання. Оскільки значення міри обертання для однієї з них співпало зі значенням цього ж параметру, яке було отримано з високочастотних спостережень, ми зробили висновок, що друга поляризаційна мода відривається від магнітосфери пульсара просторово близько до першої. Цей висновок дав змогу вказати, який саме магнітний полюс пульсара спостерігається із Землі. Слід зауважити, що існує альтернативна можливість інтерпретації факту реєстрації двох поляризаційних мод. Вона (тобто друга можливість) передбачає часткову поляризацію радіовипромінювання цього пульсару біля Землі. Але ми не знаємо наявності регулярного магнітного поля, на якому могла б виникнути така поляризація. Проведено необхідні порівняння з даними, які отримані в інших діапазонах спостережень.

У цьому ж розділі показані перспективні напрями поляризаційних досліджень у декаметровому діапазоні. Ці напрями пов'язані з дослідженнями поляризації випромінювання залишків наднових зірок. Незважаючи на те, що очікуваний ступінь поляризації радіовипромінювання від цих об'єктів має бути малим, абсолютний потік поляризованої компоненти може виявитись великим. У цьому разі запропонований метод може успішно використовуватись для дослідження магнітних полів у залишках наднових зірок.

У висновках до четвертого розділу вказано, що з переходом від метрового до декаметрового діапазону падає ступінь лінійної поляризації радіовипромінювання PSRB 1133+16. Тобто, нам вдалося зареєструвати завал спектру лінійно поляризованого випромінювання. Навпаки, ступінь кругової поляризації зростає. Останній факт свідчить на користь попередніх висновків, які зроблені відносно відриву радіовипромінювання декаметрового діапазону з верхніх шарів магнітосфери пульсара й оцінки кута між віссю обертання пульсара та його магнітною віссю.

Виявлену магнітну товщу по мірі обертання ми пов'язуємо з флуктуаціями концентрації електрон-позитронної плазми у самій магнітосфері пульсара та з ефектом Катона-Мутона, який має бути присутній при перетинанні електромагнітною хвилею поперечних, до її хвильового вектора, силових ліній магнітного поля. Найбільш вірогідно, така можливість здійснюється для низькочастотного радіовипромінювання у верхніх шарах магнітосфер пульсарів. Реєстрація двох поляризаційних мод для PSRB 0809+74 дозволила дізнатися, який магнітний полюс цього пульсара спостерігається з Землі.

В узагальнюючих висновках відображено основні результати усієї дисертаційної роботи. Показано місце цієї роботи у ряді інших робіт, які присвячені дослідженню пульсарів, та приведені основні положення дисертаціїної роботи, що виносяться до захисту:

Метод зондування магнітосфери пульсара, що заснований на урахуванні впливу обертання пульсара на його радіовипромінювання. Реєстрація впливу обертання пульсару PSRB 0809+74 на його радіовипромінювання та локалізація області відриву радіовипромінювання декаметрового діапазона.

Оцінки довготно-частотних характеристик радіовипромінювання п'яти пульсарів (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10, PSRB 1133+16 та PSRB 1530+27), що отримані із спостережень у декаметровому діапазоні;

* виявлення низькочастотної модуляції чотирьох пульсарів (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10 та PSRB 1133+16), що не співпадає з їх основними періодами; виявлення тонкої структури мерехтіння PSRB 0809+74.

Виявлення поляризації декаметрового радіовипромінювання PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16 та визначення його поляризаційних характеристик;

* виявлення завалу у спектрі лінійно поляризованого радіовипромінювання PSRB 1133+16 та виявлення двох поляризаційних мод у радіовипромінюванні PSRB 0809+74.

Алгоритми та методи аналізу радіовипромінювання пульсарів в умовах низького співвідношення сигнал/шум.

Публікації за темою дисертації

Брук Ю.М., Ульянов О.М., Устименко Б.Ю. Обнаружение и исследование радиоизлучения пульсара PSR 1530+27 на частоте 25 МГц.// Астрономический журн. - 1986. - Т.63. - Вып. 5. - С. 970-975.

Брук Ю.М., Ульянов О.М., Устименко Б.Ю. Метод определения меры дисперсии радиоизлучения пульсаров.// Астрономический журн. - 1987. - Т.64. - Вып. 4. - C. 742-745.

Брук Ю.М., Ульянов О.М., Устименко Б.Ю. Разделение сигналов и помех в задаче поиска дрейфующего по частоте космического радиоизлучения.// Радиотехника и электроника. - 1988. - №8. - С. 1658-1664.

Брук Ю.М., Ульянов О.М. Адаптивное подавление промышленных периодических помех.// Радиотехника. - 1988. - № 7. - С. 60-61.

Ульянов О.М. Эффекты аберрации, ретардации и скручивания при наблюдении радиоизлучения пульсаров.// Кинематика и физика небесных тел. - 1990. - Т.6. - № 4. - C. 63-67.

Абранин Э.П., ..., Ульянов О.М. и другие. Авторское свидетельство № 1679601 на изобретение “Широкополосный усилитель”.// Государственный реестр изобретений СССР 22 мая 1991 г.

Брук Ю.М., Ульянов О.М., Устименко Б.Ю. Метод измерения меры дисперсии радиоизлучения пульсаров по фазе преобразования Фурье.// Тезисы докладов XVII всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре и методам. Ереван. - 1985. - С. 329.

Брук Ю.М., Ульянов О.М., Устименко Б.Ю. Некоторые методы борьбы с широкополосными и узкополосными помехами при приеме радиоизлучения пульсаров.// Тезисы докладов XVII всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре и методам. Ереван. - 1985. - С. 374.

Брук Ю.М., Ульянов О.М. Разделение и исследование мод радиоизлучения пульсара PSR 1530+27.// Тезисы докладов XIX всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии. Таллинн. - 1987. - С. 186.

Брук Ю.М., Ульянов О.М., Устименко Б.Ю. Средние и вероятностные профили радиоизлучения пульсара 0809+74 в диапазоне частот 12-30 МГц.// Тезисы докладов XIX всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии. Таллинн. - 1987. С. 197.

Ul'yanov O.M. The aberration and retardation effects in the radioemission of PSR 0809+74// Abstracts XXII YERAC. Kharkov. - 1989. - P.23.

Абранин Э.П., ..., Ульянов О.М. и другие. Система антенного усиления радиотелескопа УТР-2.// Тезисы докладов XVII всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре и методам. Ереван. - 1989. - C. 27-28.

Ul'yanov O.M. The longitude frequencies analysis of pulsars radio emission structure.// Abstracts XXIII YERAC. Guadalajara (Spanish). - 1990. - P. 11.

Bruck Yu.M., Ul'yanov O.M. Observation of PSR 0823+26 and PSR 0943+10 in the decameter band.// Proc. of Colloquium N 128 on Pulsars of the IAU. Lagow (Poland). - 1990. - P. 183-185.

Bruck Yu.M., Ul'yanov O.M. On the accuracy of determining the dispersion measure for PSR 0809+74 using multifrequency observation.// Proc. of Colloquium N 128 on Pulsars of the IAU. Lagow (Poland).- 1990.- P. 13-15.

Бpук Ю.M., Ульянов О.М. Долготно - частотные особенности радиоизлучения PSR 1133+16 и PSR 0809+74 на декаметровых волнах.// Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции стран СНГ. - Пущино: Научный центр РАН. -1993. -C. 110-111.

Бpук Ю.M., Ульянов О.М. Анализ статистических законов распределения излучения пульсаров.// Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции стран СНГ. - Пущино: Научный центр РАН. - 1993. - C. 115-116.

Абранин Э.П., ..., Ульянов О.М. и другие. Модернизация аппаратного комплекса радиотелескопа УТР-2.// Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции стран СНГ. - Пущино: Научный центр РАН. - 1993. - C. 179-180.

Бpук Ю.M., Ульянов О.М. Обнаружение мод излучения пульсаров в декаметровом диапазоне.// Тезисы докладов XXVI радиоастрономической конференции стран СНГ. - Санкт-Петербург, - 1995. - С. 116-117.

Бpук Ю.M., Ульянов О.М. Интерполяция континуального радиоизлучения пульсаров.// Тезисы докладов XXVI радиоастрономической конференции стран СНГ. - Санкт-Петербург, -1995. - С. 136-138.

Ульянов О.М. К вопросу о наблюдаемости эффекта сверхдисперсионного запаздывания.// Тезисы докладов XXVI радиоастрономической конференции стран СНГ. - Санкт-Петербург, -1995. - С. 125-126.

Анотація

Ульянов О.М. Радіовипромінювання пульсарів у декаметровому діапазоні хвиль. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, м. Київ, 1999.

Розглянуто вплив обертання пульсара (аберації, ретардації, скручування силових ліній магнітного поля та релятивістського запізнення) на його радіовипромінювання. Показано, що завдяки урахуванню цього впливу можливо зондувати верхні шари магнітосфери пульсара. Отримані підтвердження наявності такого впливу на радіовипромінювання PSRB 0809+74 у декаметровому діапазоні. Локалізовано зону виходу радіовипромінювання з магнітосфери PSRB 0809+74 та отримано оцінку кута між віссю його обертання й магнітною віссю.

Приведені дані спостережень довготно-частотної структури радіовипромінювання п'яти пульсарів (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10, PSRB 1133+16 та PSRB 1530+27) в декаметровому діапазоні. Проведена їх обробка, аналіз та інтерпретація. Вперше зареєстрована черезперіодна модуляція у радіовипромінюванні чотирьох пульсарів (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10 та PSRB 1133+16). Вперше зареєстрована тонка структура мерехтіння радіовипромінювання PSRB 0809+74. Вперше в декаметровому діапазоні проведено поляризаційні спостереження та дослідження радіовипромінювання PSRB 0809+74 та PSRB 1133+16. Отримано поляризаційні характеристики цього випромінювання. У PSRB 0809+74 зареєстрована наявність двох поляризаційних мод.

Ключові слова: пульсар, плазма, радіовипромінювання, декаметровий діапазон, міра дисперсії, поляризація, магнітне поле, міра обертання.

Abstract

Ul'yanov O.M. The radio emission of the pulsars at decameter wave range. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on the speciality 01.03.02 - astrophysics and radio astronomy. - The Main Astronomical Observatory of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

The thesis is devoted to observations and investigations of the radio emission of the pulsars at decameter wave range. The effects of pulsar rotation (aberrations, retardations, twists of the magnetic field lines, relativistic delay) on radio emission of pulsars are considered. We have shown the possibility of sounding the upper layers of pulsar magnetosphere by analysis of these effects. The supporting observation facts for PSR 0809+74 at decameter range have been obtained. The region of the radio emission output of PSRB 0809+74 was localized and the estimation of the angle between the rotation and magnetic axes has been obtained.

The results of the longitude-frequency structure observations for the five pulsars (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10, PSRB 1133+16, PSRB 1530+27) at decameter wave range have been presented. The over periodic modulation in radio emission of four pulsars (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10, PSRB 1133+16) has been recorded at the first time. We have registered the fine structure of the scintillations of the radio emission for PSRB 0809+74 at the first time too. The polarization observations and investigations of the PSRB 0809+74 and PSRB 1133+16 radio emission were carried out at decameter range. The polarization characteristics of their radio emission have been obtained. The phenomenon of two polarization modes occured in decametric emission of PSRB 0809+74 has been detected.

Key words: pulsar, plasma, radio emission, decameter range, dispersion measure, polarization, magnetic field, rotation measure.

Аннотация

Ульянов О.М. Радиоизлучение пульсаров в декаметровом диапазоне волн. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, г. Киев, 1999.

Рассмотрено влияние вращения пульсара (аберрации, ретардации, скручивания силовых линий магнитного поля и их релятивистского запаздывания) на его радиоизлучение. Показано, что с помощью учета этого влияния можно зондировать верхние слои магнитосферы пульсара и проводить оценку угла между осью вращения и магнитной осью. Проведен сравнительный анализ метода, предложенного в этой диссертационной работе, с методами, которые ранее использовались для зондирования магнитосфер пульсаров и определения угла между осью вращения и магнитной осью пульсара. Получены наблюдательные подтверждения присутствия такого влияния в радиоизлучении PSRB 0809+74 в декаметровом диапазоне. Локализована зона выхода радиоизлучения из магнитосферы PSRB 0809+74 и получена оценка угла между осью его вращения и магнитной осью.

Разработан метод получения оценки такой характеристики межзвездной среды, как мера дисперсии, в условиях низкого отношения сигнал/шум. Благодаря использованию этого метода сделана ревизия значения меры дисперсии в направлении на PSRB 1530+27.

Приведены данные наблюдений долготно-частотной структуры радиоизлучения пяти пульсаров (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10, PSRB 1133+16 и PSRB 1530+27) в декаметровом диапазоне. Проведена их обработка, анализ и интерпретация. Показано, что интеримпульсное излучение пульсара может возникать, с разной вероятностью, на любых долготах среднего профиля. Также показано, что имеется небольшая вероятность регистрации мощных вспышек радиоизлучения пульсара в декаметровом диапазоне. Зарегистрирована флуктуационная компонента в радиоизлучении пяти пульсаров, которая сравнима по мощности с импульсной компонентой их излучения.

Впервые зарегистрирована черезпериодная модуляция в радиоизлучении четырех пульсаров (PSRB 0809+74, PSRB 0823+26, PSRB 0943+10 и PSRB 1133+16). Выявлена модальная структура в динамических спектрах PSRB 0823+26 и PSRB 1530+27. Впервые зарегистрирована тонкая структура мерцаний PSRB 0809+74. Эти мерцания мы связываем с мерцаниями на близкой к пульсару плазме (пульсарном ветре или ударной волне, находящейся вблизи пульсара).

Проведено восстановление постоянной составляющей радиоизлучения пульсаров PSRB 0809+74 и PSRB 1133+16. Сделаны предположения о возможных механизмах перекачки импульсной компоненты их излучения в непрерывную. Показано, что такая перекачка наиболее вероятна на низких частотах в верхней магнитосфере пульсара. Предложено два объекта для отождествления с PSRB 0809+74.

Предложен метод, позволяющий проводить поляризационные наблюдения радиоизлучения пульсаров на больших антенных решетках, расположенных над любой поверхностью и имеющих линейно поляризованные вибраторы. Основой этого метода является использование эффекта Фарадея, который возникает при распространении радиоизлучения в межзвездной среде, имеющей продольную компоненту магнитного поля вдоль луча зрения.

Впервые в декаметровом диапазоне проведены поляризационные наблюдения и исследования радиоизлучения PSRB 0809+74 и PSRB 1133+16. Получены поляризационные характеристики этого излучения. У PSRB 0809+74 зарегистрировано присутствие двух поляризационных мод. Получены оценки среднеквадратичного отклонения по параметру меры вращения для радиоизлучения PSRB 0809+74 и PSRB 1133+16 в декаметровом диапазоне. Нами показано, что “размазывание” радиоизлучения PSRB 0809+74 и PSRB 1133+16 по параметру меры вращения может происходить либо из-за флуктуаций параметров электрон-позитронной плазмы в верхних слоях магнитосферы обоих пульсаров, либо из-за эффекта Катона-Мутона, связанного с наличием поперечного к волновому вектору магнитного поля. Такая ситуация наиболее вероятна в верхней магнитосфере пульсара.

Рассмотрены используемые в диссертации методы регистрации и борьбы с различного рода помехами, а также методы обработки и анализа полученной информации. Основной математический аппарат, используемый в этой диссертации, опирается на прямое и обратное преобразования Фурье, теорию вероятности, теорию матриц, различные способы интерполяции.

Ключевые слова: пульсар, плазма, радиоизлучение, декаметровый диапазон, мера дисперсии, поляризация, магнитное поле, мера вращения.

Размещено на Allbest.ru