GHz峰值谱脉冲星统计研究.pdf
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1、总第 46 卷 第 3 期 时间频率学报 Vol.46 No.3 2023 年 7 月 Journal of Time and Frequency July,2023 引用格式:蔡宏兵,陈荔,徐劲松,等.GHz 峰值谱脉冲星统计研究J.时间频率学报,2023,46(3):237-248.GHz 峰值谱脉冲星统计研究1 蔡宏兵1,陈荔2,徐劲松1,王伟华3,王贝贝1(1.江苏师范大学 江苏圣理工学院-中俄学院,徐州 221116;2.江苏师范大学 物理与电子工程学院,徐州 221116;3.常州工程学院 计算机信息工程学院,常州 213022)摘要:GHz 峰值谱脉冲星是指其射电谱在 1 GHz
2、 附近会发生倒转的脉冲星。当前已发现有 33 颗此类脉冲星。这些倒转谱形成的原因可能是由于星际介质对脉冲星的射电辐射所产生的自由-自由吸收引起的。本文对这些脉冲星的倒转谱峰值频率、谱指数、色散量等参数进行了统计研究,发现 GHz 峰值谱脉冲星的峰值频率主要分布在 0.51.0 GHz 之间,它们的平均谱指数为-1.52,脉冲星的色散量与自转周期有显著的正相关性,这种正相关可能表明星际介质是影响 GHz 峰值谱脉冲星自转速度的重要因素。本文也讨论了星际介质对 GHz 峰值谱脉冲星计时的影响。关键词:脉冲星;射电谱;辐射机制 DOI:10.13875/j.issn.1674-0637.2023-0
3、3-0237-12 Statistical research on pulsars with the gigahertz-peaked spectra CAI Hong-bing1,CHEN Li2,XU Jin-song1,WANG Wei-hua3,WANG Bei-bei1(1.JSNU SPBPU Institute of Engineering&SINO-RUSSIAN Institute,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,China;2.School of Physics and Electronic Engineering,Jiang
4、su Normal University,Xuzhou 221116,China;3.School of Computer Science and Information Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032,China)Abstract:Pulsars with the gigahertz-peaked spectra(GPS)are named GPS pulsars,which means that the spectra of those pulsars in the radio band will
5、 turn over near 1 GHz.There are 33 GPS pulsars discovered so far.The reason causing the turn-over spectra may be due to the free-free absorption of the pulsars radio radiation by the interstellar medium.We carry out statistical research on the peak frequency of turn-over spectrum,the spectral index,
6、and the dispersion measure of these GPS pulsars.We find that the distribution of peak frequency of these GPS pulsars is between 0.5 GHz and 1.0 GHz,the average spectral index is-1.52.We also find that there is a strong positive correlation between the dispersion measure and the pulsars rotation peri
7、od,which suggests that the interstellar medium may be an interfering factor of the rotation of GPS pulsars.At last,the effect of intermedium on timing of GPS pulsar is discussed.Key words:pulsar;radio spectrum;radiation mechanism 收稿日期:2023-03-21;接受日期:2023-05-25 基金项目:徐州重点研发计划资助项目(KC18079)238 时间频率学报 总
8、 46 卷 0 引言 自从脉冲星 20 世纪 60 年代被发现以来,由于脉冲星自身具备独特的物理性质(强磁场、强引力、稳定的自转周期),以及脉冲星是人类可直接观测的最近的致密天体之一,其一直是天文学、物理学的研究热点之一。通过脉冲星的射电辐射谱,可以探究脉冲星辐射机制;还可以根据脉冲星的能谱分布,选择合适的观测频段,从而在更短的观测时间内获得有较高信噪比的脉冲星计时数据,对提高脉冲星计时精度有重要作用。研究表明,大部分脉冲星的流量密度随着频率的降低而升高,可以用一个幂律谱来表示:0SS=1,S为脉冲星在频率时的流量密度,0S为频率为 1 GHz 时的流量密度,为谱指数,一般为负值,越小表示脉冲
9、星在高频的辐射强度下降越快,这种幂律谱形在射电波段可以一直延伸到100 MHz 以下。W.Sieber(1973)1还发现有部分脉冲星的谱在低频偏离了这种幂律谱形呈现出向下的转折现象,这种谱形也被称为倒转(turn over)谱,他用同步自吸收和自由-自由吸收两种辐射机制对倒转谱进行了拟合。由于当时观测数据的限制,他们的拟合结果还不能说明这种谱的倒转是由哪一种机制主导。B.Koribalski 等人(1995)2利用澳大利亚的位于 Parkes 的 64 m 射电望远镜对南天的 8 颗脉冲星进行观测,发现倒转谱脉冲星 PSR B1054-62 处于氢电离区或被氢电离区遮挡,这为脉冲星倒转谱可能
10、是由于星际介质的自由-自由吸收提供了实测证据。O.Maron 等人(2000)3发现 B1838-04 和 B1823-13在 1 GHz 附近就发生了谱的倒转,而大部分倒转谱脉冲星一般在数百 MHz 附近才发生谱的倒转。随后,J.Kijak 和 O.Maron(2004)4又发现了多个高频倒转谱脉冲星。J.Kijak 等人(2007)5开启了高频倒转谱脉冲星的测量研究,他们利用 GMRT 望远镜对一批具有倒转谱的脉冲星进行了观测,发现有的脉冲星倒转频率在 1 GHz 附近,他们认为倒转现象可能与脉冲星所处的环境有关。J.Kijak 等人(2011)6对这些具有高频倒转谱的脉冲星进行了详细的研
11、究,发现这些脉冲星周围有着丰富的星际介质,这些星际介质可以吸收脉冲星的射电辐射,在文中他们把这种射电谱在 GHz 附近发生倒转的脉冲星首次称为 GHz峰值谱(gigahertz-peaked spectra,GPS)脉冲星,如脉冲星 J1644-4559(如图 1 所示)就是一个典型的GPS 脉冲星。J.Kijak 等人(2011)7对脉冲星双星系统 B1259-63 进行了多波段观测,发现这颗脉冲星的谱随着其与伴星的距离而发生规律性的演化,当接近伴星时,B1259-63 的谱就会发生倒转,远离伴星时谱就没有倒转。由于双星系统存在吸积现象,伴星附近有较多的星际介质,所以该观测结果强有力地证明了
12、脉冲星谱的倒转与其所处的环境有关,即脉冲星谱的倒转是自由-自由吸收机制所导致。J.Kijak(2018)8认为这些星际介质可能是超新星遗迹,H 电离区,脉冲星星风云。频率/GHz1000.0100.010.01.00.1流量密度/mJy0.1 1.0 10.0 图 1 脉冲星 J1644-4559 的 GHz 峰值谱(数据和拟合曲线来自参文9)自从 W.Sieber(1973)1发现脉冲星射电谱有倒转以来,对该类脉冲星的研究主要集中在确定射电谱倒转频率,主要利用的模型是自由-自由吸收机制。目前尚未对此类脉冲星开展系统性的统计研究。第 3 期 蔡宏兵等:GHz 峰值谱脉冲星统计研究 239 本文
13、通过调研已公开发表的脉冲星谱数据,获得了 33 颗 GPS 脉冲星。本文将对这些 GPS 脉冲星的峰值频率、谱指数、色散量等参数进行统计分析,获得 GPS 脉冲星的统计特征,从而进一步理解 GPS 脉冲星的谱形成机制及其演化规律。1 GPS 脉冲星的辐射机制 电子在和离子碰撞时,不仅发射光子,发生自由-自由辐射,自由电子从动能较高的自由态转变为动能较低的自由态;当该电子与离子再次碰撞时,还有可能再次吸收光子使自由电子从动能较低的自由态转变为动能较高的自由态,该吸收过程为自由-自由辐射的逆过程,叫做自由-自由吸收。其中被吸收的光子可以是自由-自由辐射出来的光子,也可以是来自外部的光子,如宇宙背景
14、辐射、活动星系的射电辐射。W.Lewandowski 等人(2015)10详细研究了不同电子数密度、温度、吸收区大小对脉冲星倒转谱的影响,还研究了脉冲星发生自由-自由吸收的两种区域:超新星遗迹(supernova remnant,SNR)中的丝状区和脉冲星星风云区(pulsar wind nebula,PWN)。研究表明,假设吸收区尺度为 1.2 pc,当吸收区电子数密度固定为 100 cm-3时,吸收区电子温度低于 100 K 就可以引起脉冲星的谱在 1 GHz 附近发生倒转,随着电子温度增高,峰值倒转频率向低频移动;当吸收区电子数密度固定为 1000 cm-3时,100 K 的电子能够引起
15、脉冲星的谱在 9 GHz 附近发生倒转。他们还研究了在假设电子数密度为 300 cm-3和电子温度为 500 K 时,吸收区的大小的改变对倒转谱的影响,当吸收区长度为 1 pc 时,脉冲星的谱将在 1 GHz附近发生倒转,随着吸收区长度的减小,当吸收区的长度为 0.01 pc 时,脉冲星的谱将在 0.15 GHz附近发生倒转。这些研究表明,吸收体内部电子的数密度、温度以及吸收区自身大小都会影响脉冲星的谱发生倒转时的峰值频率,其中电子数密度和电子温度对峰值频率的影响比较大。J.Kijak 等人(2017)9利用自由-自由吸收模型,假设了 3 种吸收区即 H II 区、脉冲星星风云(PWN)、超新
16、星遗迹中的丝状区,并假设了每个吸收区的特征尺度,如 H II 区为 10 pc,PWN 为 1 pc,超新星遗迹中的丝状区为 0.1 pc,然后他们利用自由-自由吸收模型估算了 15 个脉冲星相关的吸收区的电子数密度和温度。通过这些假设,J.Kijak 等人发现 H II 区要实现对脉冲星射电谱的有效吸收,其温度很低,平均温度只有 114 K,这与其他学者的观测研究结果矛盾,一般认为 H II 区的电子温度为数千 K,所以H II 区不太可能作为吸收区。R.Basu 等人(2016)11研究了 B1800-21 的谱形随时间的变化,通过自由-自由吸收模型对谱的拟合,他们认为脉冲星周围星际介质的
17、数密度为 1 00020 000 cm-3,吸收介质的尺寸大约为 220 au。自由-自由吸收机制也曾被用来研究宇宙中活动星系的射电辐射谱。S.Kameno 等人12在利用 VSOP(Very-long-baseline-interferometry Space Observatory Programme)对射电源 OQ208 进行的观测研究中,对谱的拟合就采用了自由-自由吸收模型,并据此估算了射电辐射所穿过等离子体的温度为 104 eT 6 107 K,电子数密度为 600en7 105 cm-3,这些河外射电源周边的环境温度和电子数密度要一般大于 J.Kijak 等人(2017)9利用自由
18、-自由吸收模型估算的脉冲星所处环境的电子数密度和温度。脉冲星的陡谱一般认为是由于磁球层中的正负电子对的非热辐射产生的。这种辐射谱的特征与超新星遗迹的射电辐射相似。本文所采用的自由-自由吸收模型将借鉴 S.Kameno 等人(2000)12的表达式,其具体形式为 2.1f0SS e=。(1)式(1)中:S为脉冲星在频率GHz 时的流量密度,0S为频率为 1 GHz 时的流量密度,为谱指数。对于倒转谱脉冲星来说,峰值两边的谱指数是不同的,这里的谱指数是高频部分的谱指数。f为吸收光深系数,该系数主要由吸收介质的电子数密度、温度、大小所决定。240 时间频率学报 总 46 卷 2 高频倒转谱脉冲星统计
19、研究 本文从文献中选取了有确定倒转谱的脉冲星 33 颗,如表 1 所示。表 1 GPS 脉冲星及其参数 脉冲星 色散量 /pc cm-3 特征年龄/kyr 谱指数 峰值频率/GHz 周期/s 周期导数 参考文献 J0835-4510 67.97 11.30-2.90 0.56 0.089 00 1.2510-13 1 J1056-6258 321.00 1 870.00-1.33 0.59 0.422 45 3.5810-15 9 J1302-6350 146.00 332.00-1.30 1.60 0.047 76 2.2810-15 13 J1644-4559 479.00 359.00-
20、2.79 0.58 0.455 08 2.0110-14 13 J1803-2137 234.00 15.80-1.06 0.76 0.133 67 1.3410-13 13 J1825-1446 357.00 195.00-0.65 0.60 0.279 20 2.2710-14 13 J1826-1334 231.00 21.40-0.68 0.90 0.101 49 7.5210-14 13 J1830-1059 160.00 107.00-2.62 0.83 0.405 07 5.9910-14 13 J1550-5418(磁星)830.00 1.41-0.46 3.23 2.069
21、83 2.3210-11 13 J1622-4950(磁星)820.00 5.57-0.54 3.73 4.327 02 2.7810-12 13 J1702-4128 367.10 55.10-0.55 0.55 0.182 14 5.2310-14 13 J1705-3950 207.00 83.40-0.90 1.10 0.318 90 6.0610-14 13 J1718-3825 247.40 89.50-0.82 1.03 0.074 67 1.3210-14 13 J1723-3659 254.00 401.00-1.80 0.56 0.202 72 8.0310-15 13 J
22、1739-3023 170.00 0.16-1.60 0.54 0.114 37 1.1410-14 13 J1741-3016 382.00 3 340.00-2.20 0.62 1.893 70 8.9910-15 13 J1743-3150 192.00 320.00-2.90 0.61 2.414 65 1.2110-13 13 J1745-2900(磁星)1 778.00 3.40-1.50 2.50 3.763 73 1.7610-11 13 J1747-2958 101.50 25.50-0.85 0.73 0.098 81 6.1310-14 13 J1751-3323 297
23、.00 984.00-1.40 1.00 0.548 23 8.8310-15 13 J1753-2501 672.00 0.59-1.34 0.62 0.528 33 1.4110-14 13 J1757-2223 239.00 3 750.00-1.44 0.64 0.185 31 7.8210-16 13 J1757-2421 179.00 0.29-1.85 0.60 0.234 11 1.3010-14 13 J1806-1154 122.00 5 880.00-3.40 0.65 0.522 60 1.4110-15 13 J1809-1917(磁星)197.10 51.30-1.
24、00 1.07 0.082 76 2.5510-14 13 J1832-0827 300.00 0.16-2.19 0.53 0.647 33 6.3910-14 13 J1835-1020 114.00 810.00-1.80 0.55 0.302 45 5.9210-15 13 J1841-0345 194.00 55.90-0.78 0.55 0.204 07 5.7910-14 13 J1845-0743 281.00 4 520.00-1.40 0.65 0.104 69 3.6710-16 13 J1852-0635 171.00 567.00-0.69 0.90 0.524 16
25、 1.4610-14 13 J1901+0510 429.00 313.00-1.80 0.52 0.614 76 3.1110-14 13 J1907+0918 358.00 38.00-2.80 0.59 0.226 11 9.4310-14 13 J2007+2722 127.00 404 000.00-0.85 0.79 0.024 50 9.6110-19 13 第 3 期 蔡宏兵等:GHz 峰值谱脉冲星统计研究 241 表 1 中第 4 列谱指数和第 5 列峰值频率来源于第 8 列的参考文献;表 1 中的其他参数来自于 ATNF(Australia Telescope Nation
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