[論文レビュー] A Scintillation Arc Survey of 22 Pulsars with Low to Moderate Dispersion Measures

Daniel R. Stinebring, B. J. Rickett+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2022

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、22個の低〜中程度分散測定値（DM）を有するパルサーを対象に、多周波数観測を用いたスキャニングアーキの系統的調査を実施し、スキャニングアーキが広く存在し、周波数が高く、DMが低いほど顕著であることが明らかになった。主な発見は、明確に定義されたアーキが散乱の異方性を示すわけではないことである。逆アーキレットと遅延軸に深く刻まれた谷を持つものは全体の約20％にとどまり、これは線形方向に局所化した散乱構造が銀河間空間に存在することを示唆している。

ABSTRACT

Context: By providing information about the location of scattering material along the line of sight (LoS) to pulsars, scintillation arcs are a powerful tool for exploring the distribution of ionized material in the interstellar medium. Here, we present observations that probe the ionized ISM on scales of $\sim$~0.001 -- 30~au. Aims: We have surveyed pulsars for scintillation arcs in a relatively unbiased sample with DM < 100 pc cm-3. We present multi-frequency observations of 22 low to moderate DM pulsars. Many of the 54 observations were also observed at another frequency within a few days. Methods: For all observations we present dynamic spectra, autocorrelation functions, and secondary spectra. We analyze these data products to obtain scintillation bandwidths, pulse broadening times, and arc curvatures. Results: We detect definite or probable scintillation arcs in 19 of the 22 pulsars and 34 of the 54 observations, showing that scintillation arcs are a prevalent phenomenon. The arcs are better defined in low DM pulsars. We show that well-defined arcs do not directly imply anisotropy of scattering. Only the presence of reverse arclets and a deep valley along the delay axis, which occurs in about 20\% of the pulsars in the sample, indicates substantial anisotropy of scattering. Conclusions: The survey demonstrates substantial patchiness of the ionized ISM on both au size scales transverse to the line of sight and on $\sim$~100~pc scales along it. We see little evidence for distributed scattering along most lines of sight in the survey.

研究の動機と目的

• DM < 100 pc cm⁻³ の統計的に偏りのないパルサー標本におけるスキャニングアーキの広がりと特徴を調査すること。
• スキャニングアーキが、銀河間空間における散乱の異方性または局所的・不連続な構造を示すものかどうかを特定すること。
• 周波数と分散測定値がアーキの形状と検出可能性に与える影響を評価すること。
• ダイナミックスペクトル、自己相関関数、二次スペクトルを用いて、線形方向に沿った散乱物質の分布を定量化すること。
• アーキの形状が、約0.001〜30 auのスケールで線形方向に垂直な方向のイオン化銀河間プラズマの空間的構造に与える意味を評価すること。

提案手法

• グリーン・バック・テレスコープおよびアレコイボ天文台を用いて、複数の周波数帯域で多周波数観測を実施し、ダイナミックスペクトルを取得した。
• パラボリックな変調を示すスキャニングアーキを同定するために、ダイナミックスペクトルを解析し、パwerスペクトル手法を用いてアーキ様の特徴を検出した。
• スキャニング帯域幅とパルス幅拡散時間スケールの推定のために、自己相関関数を計算した。
• 二次スペクトルを生成し、アーキの曲率を抽出するとともに、遅延軸に沿った逆アーキレットおよび深谷の有無を評価した。
• 逆アーキレットと遅延方向の深谷の両方が観測された場合にのみ、散乱の異方性を推定した。これは先行研究で確立された基準に従った。
• 分散測定値と観測周波数を関数として、標本全体におけるアーキの顕著さに関する統計的分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 代表的で偏りのない低〜中DMパルサー標本において、スキャニングアーキはどれほど広がっているか？
• RQ2 明確に定義されたスキャニングアーキの存在は、銀河間空間における散乱の異方性を示唆するのか？
• RQ3 アーキの形状、分散測定値、観測周波数との関係は何か？
• RQ4 何パーセントのパルサーが、異方性散乱の診断的特徴（具体的には逆アーキレットと遅延軸に深谷）を示しているか？
• RQ5 アーキの特徴の分布は、線形方向に垂直なスケールで0.001〜30 auの散乱物質の空間的構造について何を示唆しているか？

主な発見

• 19個のパルサー（全22個）および54回の観測のうち34回で、スキャニングアーキが明確またはおそらく検出された。これは、低〜中DMパルサーにおいてスキャニングアーキが広く存在することを確認した。
• 低DMパルサーおよび高周波数観測では、アーキがより顕著で、より明確に定義された形状を示した。
• 明確に定義されたアーキそのものだけでは、散乱の異方性を示すわけではない。逆アーキレットと遅延軸に深谷を持つ組み合わせを示したのは全体の約20％にとどまり、これは異方性散乱の診断的特徴である。
• 二次スペクトルにおけるパワーの非対称性は、散乱媒体が線形方向に垂直なスケールで約0.001〜30 auの不連続な構造をとっていることを示唆している。
• 大多数の線形方向に広がる散乱の欠如は、散乱が滑らかで広がった媒体ではなく、離散的かつ局所化した構造によって支配されていることを示している。
• 結果は、銀河間散乱が主に、局所的で密度の高いプラズマ構造（例えばローカルバブルや星のバブル・シャワー）の境界で起こる散乱によって引き起こされているという仮説を支持している。