Метод периодических главных компонент динамического спектра радиопульсаров и фарадеевское вращение девяти составляющих импульса PSR B0329+54

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Развит метод периодических главных компонент для сигналов с квазипериодическим динамическим спектром, свойственным радиопульсарам. Метод основан на анализе собственных векторов и значений матрицы частотно-временных корреляций сигнала, усредненной по многим периодам обращения пульсара. На примере наблюдений PSR В0329+54 радиотелескопом ПРАО АКЦ ФИАН вблизи частоты 111 МГц в полосе 2.5 МГц показано, что даже для коротких интервалов данных (несколько минут) развитый метод позволяет выделить до девяти составляющих импульса излучения пульсара, оценить степень корреляции между ними и для каждой составляющей найти период модуляции фарадеевского типа, а также ее относительную фазу и скорость частотно-временного чирпа, т.е. позволяет судить о структуре источника излучения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Кочаровский

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

В. В. Вдовин

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

А. С. Гаврилов

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

Е. Р. Кочаровская

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

С. В. Логвиненко

Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Москва

Е. М. Лоскутов

Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Москва

В. М. Малофеев

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: kochar@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Бескин В.С., Успехи физ. паук 188, 377 (2018).
  2. Бриксеп и др. (W.F. Brisken, J.M. Benson, W.M. Goss, and S.E. Thorsett), Astrophys. J. 571, 906 (2002).
  3. Бринкман и др. (C. Brinkman, D. Mitra, and J. Rankin), MNRAS 484, 2725 (2019).
  4. Байковский и др. (S. Bialkowski, W. Lewandowski, J. Kijak, L. Blaszkiewicz, A. Krankowski, and S. Ostrowski), Astrophys. Space Sci. 363, 8 (2018).
  5. Ванг и др. (C. Wang, J.L. Han, and D. Lai), MNRAS 417, 1183 (2011).
  6. Гапгадхара, Гупта (R.T. Gangadhara and Y. Gupta), Astrophys. J. 555, 31 (2001).
  7. Дай и др. (S. Dai, G. Hobbs, R. X. Manchester, M. Kerr, R.M. Shannon, W. van Straten, A. Mata, M. Bailes, et al.), MNRAS 449, 3223 (2015).
  8. Деморест (P.B. Demorest), MNRAS 416, 2821 (2011).
  9. Джоллифф (I.T. Jolliffe), Principle Component Analysis (2nd Ed., Springer Xew York, Xew York, 1986).
  10. Доннер и др. (J.Y. Donner, J.P.W. Verbiest, C. Tiburzi, S. Oslowski, D. Michilli, M. Serylak, J.M. Anderson, A. Horneffer, et al.), Astron. Astrophys. 624, A22 (2019).
  11. Или и др. (C.D. Hie, S. Johnston, and P. Weltevrede), MNRAS 483, 2778 (2019).
  12. Кайзер (H.F. Kaiser), Educ. Psychol. Meas., 20, 141 (1960).
  13. Кардашов и др. (X.S. Kardashev, A.D. Kuzmin, X.Ya. Xikolaev, et al.), Sov. Astron. 22, 583 (1978).
  14. Кейт и др. (M.J. Keith, S. Johnston, L. Levin, and M. Bailes), MNRAS 416, 346 (2011).
  15. Кочаровская и др. (Кочаровская Е.Р., Гаврилов А.С., Кочаровский В.В., Лоскутов Е.М., Мишин А.В., Мухин Д.Н., Селезнев А.Ф., Кочаровский Вл.В.), Изв. вузов. Радиофизика 61, 906, (2018).
  16. Кузьмин и др. (A.D. Kuzmin, Р.А. Hamilton, Yu.P. Shitov, et ah), MNRAS 344, 1187 (2003).
  17. Кулкарпи (S.R. Kulkarni), arXiv:2007.02886, (2020).
  18. Манчестер и др. (R.N. Manchester, G.B. Hobbs, A. Teoh, and М. Hobbs), Astron. J. 129, 1993 (2005).
  19. Малофеев и др. (V.M. Malofeev, D.A. Teplykh, and S.V. Logvinenko), Astron. Rep. 56, 35 (2012).
  20. Малофеев, Малов и др. (V.M. Malofeev, I.F. Malov, O.I. Malov, and D.A. Teplykh), Res. Astron. Astrophys. 22, 035010 (2022).
  21. Мелроуз и др. (D.B. Melrose, M.Z. Rafat, and A. Mastrano), MNRAS 500, 4530 (2021).
  22. Митра и др. (D. Mitra, J.M. Rankin, and Y. Gupta), MNRAS 379, 932 (2007).
  23. Мухин и др. (D. Mukhin, D. Kondrashov, E. Loskutov, A. Gavrilov, A. Feigin, and M. Ghil), J. Climate 28, 1962 (2015).
  24. Мухин и др. (D. Mukhin, A. Gavrilov, A. Seleznev, and M. Buyanova), Geophys. Res. Lett. 48, 6 (2021).
  25. Ноутсос и др. (A. Noutsos, A. Karastergiou, M. Kramer, S. Johnston, and B.W. Stappers), MNRAS 396, 1559 (2009).
  26. Примак и др. (N. Primak, C. Tiburzi, W. van Straten, J. Dyks, and S. Gulyaev), Astron. Astrophys. 657, A3 (2022).
  27. Рамачандран и др. (R. Ramachandran, D.C. Backer, J.M. Rankin, J.M. Weisberg, and K.E. Devine), Astrophys. J. 606, 1167 (2004).
  28. Ранкин и др. (J.M. Rankin, S.A. Suleymanova, and A.A. Deshpande), MNRAS 340, 1076 (2003).
  29. Селезнев, Мухин (A. Seleznev and D. Mukhin), Glim. Dyn. 60, 1 (2023).
  30. Соби и др. (C. Sobey, S. Johnston, S. Dai, M. Kerr, R.N. Manchester, L.S. Oswald, A. Parthasarathy, R.M. Shannon, et al.), MNRAS 504, 228 (2021).
  31. Сулейманова C.A., Tp. Физического ин-та им. П.Н. Лебедева 199, 42 (1989).
  32. Сулейманова С.А., Володин Ю.В., Малофеев В.М., Астрон. журн. 60,554 (1983).
  33. Сулейманова С.А., Володин Ю.В., Шитов Ю.П., Астрон. журн. 65, 349 (1988).
  34. Сулейманова С.А., Пугачев В.Д., Астрон. журн. 75, 287 (2002) [Suleimanova S.A., Pugachev V.D., Astron. Rep. 46, 34 (2002)].
  35. Тюльбашев и др. (S.A. Tyul’bashev, V.S. Tyul’bashev, V.V. Oreshko, and S.V. Logvinenko ), Astron. Rep. 60, 220 (2016).
  36. Типпет, Л’Эре (M.K. Tippett and M.L. L’Heureux), Clim. Atmos. Sci. 3, 24 (2020).
  37. Ульянов O.M., Шевцова А.И., Скорик А.О., Изв. КрАО 109, 159 (2013).
  38. Уолл, Дженкинс (J.V. Wall and C.R. Jenkins), Practical Statistics for Astronomers (2nd Ed., Cambridge Univer. Press, Cambridge, 2012).
  39. Филиппов, Крамер (A. Philippov and M. Kramer), Ann. Rev. Astron. Astrophys. 60, 495 (2022)
  40. Филлипс, Волыцан (J.A. Phillips and A. Wolszczan), Astrophys. J. 385, 273 (1992).
  41. Хассал и др. (T.E. Hassall, B.W. Stappers, J.W.T. Hessels, M. Kramer, A. Alexov, K. Anderson, T. Coenen, A. Karastergiou, et al.), Astron. Astrophys. 543, A66 (2012).
  42. Хассал и др. (T.E. Hassall, B.W. Stappers, P. Weltevrede, J.W.T. Hessels, A. Alexov, T. Coenen, A. Karastergiou, M. Kramer, et al.), Astron. Astrophys. 552, A61 (2013).
  43. Шитов, Малофеев, Извекова (Y.P. Shitov, V.M. Malofeev, and V.A. Izvekova), Sov. Astron. Lett. 14, 181 (1988).
  44. Эдвардс, Стаппер (R.T.Edwards and B.W.Stapper), Astron. Astrophys. 421, 681 (2004).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Развертка с шагом 10δτ ≈ 2.0496 мс, отвечающим повороту пульсара на ≈ 1°, профиля интенсивности излучения PSR B0329+54 (усл. ед.), принимаемого в диапазоне 109.6–112 МГц, для серии последовательных кадров N = 1, ..., 450 импульса пульсара после компенсации дисперсионного запаздывания с использованием найденной меры дисперсии = 26.76 пк/см³.

Скачать (428KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Первая, наиболее весомая ЧВЭОФ в разложении динамического спектра PSR B0329+54 методом периодических главных компонент: (a) — относительный вклад Y₁ (τN) на последовательности кадров (оборотов пульсара) N = 1, ..., 450; (b) — частотно-временная форма с признаками модуляции фарадеевского типа.

Скачать (323KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Третья ЧВЭОФ в разложении динамического спектра PSR B0329+54: (a) — относительный вклад Y₃ (τN) (треугольники, черная ломаная) в сравнении с вкладом Y₁ (τN) первой ЧВЭОФ (кружки, серая ломаная) на последовательности кадров N = 1, ..., 450; (b) — частотно-временная форма с признаками модуляции фарадеевского типа, включающая в основном “верхнюю” составляющую импульса V при временах около 26 мс и отчасти “нижние” составляющие I и VI при временах около –33 мс и –10 мс, а также следы “центральной” составляющей III при t ≈ 0.

Скачать (416KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Аппроксимация интенсивности импульса PSR B0329+54 (усл. ед.), просуммированной по 500 каналам в полосе шириной почти 2.5 МГц на несущей частоте 111 МГц, для N-го временного окна (кадра) длительностью 50 мс с шагом δτ ≈ 2.0496 мс, отвечающим повороту пульсара на ≈ 1°: (a) — исходные данные ⟨∑ⱼS(vⱼ,tₖ)⟩ (после первичной обработки согласно разделу 3, но без перехода к логарифму s = ln(S + C) ); (с) — усредненный по частоте и всем сериям наблюдений профиль импульса ⟨∑ⱼS(vⱼ,tₖ)⟩; (б)–(е) — модификация этого профиля путем дополнительного включения ряда первых ЧВЭОФ с наибольшими весами — одной, двух, трех и четырнадцати соответственно.

Скачать (376KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Вторая (a) a₂, четвертая (б) a₄ и пятая (в) a₅ ЧВЭОФ в разложении динамического спектра PSR B0329+54, демонстрирующие асимметрию и слабую корреляционную связь основных составляющих импульса: “центральной” III-й при t ≈ 0 (с ее тонкой структурой) и “удаленных” V-й и I-й (отвечающих временам t около 26 мс и –33 мс соответственно), различающихся глубиной “фарадеевской” модуляции.

Скачать (627KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Одиннадцатая (a) а₁₁ и двенадцатая (в) а₁₂ ЧВЭОФ в разложении динамического спектра PSR B0329+54, подтверждающие асимметрию временного профиля либо джиттер импульсной последовательности наряду со слабой взаимной корреляцией наиболее “удаленных” составляющих импульса — V-й и I-й (отвечающих временам около 26 мс и –33 мс соответственно), обе с похожими признаками модуляции фарадеевского типа.

Скачать (772KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Десятая a10 ЧВЭОФ в разложении динамического спектра PSR B0329+54: (a) — частотно-временная форма в области IX-й составющей импульса, сосредоточенной на временах t около 5 мс (ниже ряд темных пятен отвечает IV-й составляющей при t ≈ 2.5 мс); (б) — аппроксимация “фарадеевской” модуляции (усл. ед.) для одного из кадров динамического спектра с хорошо выраженной IX-й составляющей на уровне tIX = 5 мс гармоническим колебанием с частотным периодом tIX = 0.38 МГц, равным ширине почти 78 спектральных каналов приемника, каждый с полосой 4.88 кГц.

Скачать (362KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение частотного периода “фарадеевской” модуляции vₘ для девяти составляющих импульса (номер m дан по оси ординат). Каждая точка — результат измерения периода для одного кадра трех серий наблюдений, содержащих около 1350 кадров, из которых выбраны имеющие максимум динамического спектра для данной составляющей при t = tₘ, заметно превышающий уровень шумов. Треугольник и проходящая через него тонкая линия отвечают положению медианы и квартилю от 25% до 75%; ромб и толстая линия — среднему значению и стандартному отклонению соответственно.

Скачать (172KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Гистограммы частотного периода “фарадеевской” модуляции vm для четырех составляющих импульса m (указаны в углу графиков (a)–(г)) согласно соответствующим распределениям рис. 8. Частота по оси абсцисс дана в единицах количества частотных каналов приемника, каждый с полосой 4.88 кГц.

Скачать (262KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Гистограммы относительной фазы “фарадеевской” модуляции для четырех составляющих импульса m (указаны в углу графиков (a)–(г)), ∆ϕm = ϕIII - ϕm, рассчитанной вычитанием из фазы фарадеевского вращения третьей составляющей III и приведением к интервалу [0, 2π ] путем добавления надлежащего числа величин ±2π.

Скачать (210KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Гистограммы частотного чирпа “фарадеевской” модуляции для четырех составляющих импульса m (указаны в углу графиков (a)–(г)), рассчитанного по формуле g = ∆ϕmνm / (2π | tm |) и примерно равного локаль- ной скорости смещения максимума или минимума сигнала на плоскости частота–время (ν,t). На гистограмме (б) серым и черным оттенками показаны два возможных распределения чирпа, в расчете которых для каждого кадра использованы два физически оправданных значения разности фаз – ∆ϕV, отличающихся на 2 π.

Скачать (251KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024