[論文レビュー] Simultaneous single-pulse observations of radio pulsars III. The behaviour of circular polarization

A. Karastergiou, S. Johnston+1 more|ArXiv.org|Mar 28, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、100%偏光モードの非整合的重ね合わせを仮定することで、パulsar PSR B1133+16の単一パルス電波放射を直交偏光モード（OPMs）に分解する新しい手法を提示する。円偏光のヘリシティは、OPMsと顕著に相関するが、完全な相関ではない。周波数が上昇する（4.85 GHz 対 1.41 GHz）に伴い相関は弱まる。これは、OPMsが円偏光の起源であることを支持するが、周波数依存の伝搬効果によるモデルの限界も明らかにする。

ABSTRACT

We investigate circular polarization in pulsar radio emission through simultaneous observations of PSR B1133+16 at two frequencies. In particular, we investigate the association of the handedness of circular polarization with the orthogonal polarization mode phenomenon at two different frequencies. We find the association to be significant across the pulse for PSR B1133+16, making a strong case for orthogonal polarization modes determining the observed circular polarization. The association however is not perfect and decreases with frequency. Based on these results and assuming emission occurs in superposed orthogonal polarization modes, we present a technique of mode decomposition based on single pulses. Average profiles of the polarization of each mode can then be computed by adding the individual mode-separated single pulses. We show that decomposing single pulses produces different average profiles for the orthogonal polarization modes from decomposing average profiles. Finally, we show sample single pulses and discuss the implications of the frequency dependence of the correlation of the circular polarization with the orthogonal polarization mode phenomenon.

研究の動機と目的

• パルサー電波放射における円偏光ヘリシティと直交偏光モード（OPMs）の関係を調査すること。
• 観測された円偏光が、独立した放射または伝搬効果ではなく、非整合的重ね合わせのOPMsに起因するかどうかを検証すること。
• 非整合的重ね合わせのOPMsに基づく単一パルスモード分解技術の開発と検証すること。
• 単一パルス分解によるモード別平均プロファイルと平均プロファイル分解によるものとの比較を行い、主な相違点を特定すること。
• 1.41 GHz および 4.85 GHz の同時観測を用いて、円偏光とOPMsの間の周波数依存性を調べること。

提案手法

• 本手法は、観測されたストークスパラメータ（I, Q, U, V）が2つの100%偏光の直交偏光モード（OPMs）の非整合的重ね合わせであると仮定する。
• 単一パルスのストークスパラメータを用いて、各位相ビンにおける偏光度および位置角（PA）を計算し、PAの不連続性によりOPMの遷移を特定する。
• 連関表解析により、OPM優位性と円偏光（V）のヘリシティとの間の統計的関連性を、1.41 GHz および 4.85 GHz で定量的に評価する。
• モード分解は、円偏光の符号とPAジャンプの方向に基づいて、各単一パルスを2つのOPMsのいずれかに割り当てる。
• モード別に分離された単一パルスを合算して平均プロファイルを作成し、統合パルスプロファイルを分解して得られるプロファイルと比較可能にする。
• 1.41 GHz および 4.85 GHz の同時観測からの例としての単一パルスを用いて、手法の妥当性を検証し、周波数依存の挙動を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B1133+16における円偏光ヘリシティ（V）は、支配的直交偏光モード（OPM）と顕著に相関しているか？
• RQ2 円偏光とOPMsの間の相関は、観測周波数にどのように依存するか？
• RQ3 非整合的重ね合わせを用いた場合、単一パルスデータを信頼性高くOPMsに分解できるか？また、平均プロファイルに基づく分解と比較してどう異なるか？
• RQ4 OPMと円偏光の周波数依存性相関が、パルサー磁気圏内での放射メカニズムと伝搬効果に与える意味は何か？
• RQ5 パルス成分幅と同等の timescale を持つ単一パルス構造では、周波数にわたってOPMとVの挙動が一貫しているか？

主な発見

• PSR B1133+16において、円偏光ヘリシティ（V）は、1.41 GHz および 4.85 GHz の両周波数帯で支配的OPMと顕著に相関しており、OPMsの非整合的重ね合わせモデルを支持する。
• VヘリシティとOPM優位性の相関は周波数が上昇するにつれて弱まり、4.85 GHz では1.41 GHz よりも相関が弱い。これは、より強い周波数依存伝搬効果が関与していることを示唆する。
• 単一パルスのモード分解により得られる平均プロファイルは、統合平均プロファイルを分解して得られるものとは異なり、相関の不完全さとパルス間での非定常性に起因する。
• 1.41 GHz および 4.85 GHz の同時単一パルス観測により、OPMのジャンプとVのスイングが位相で同期することが確認されたが、例としてのパルス1562および2438では、Vのヘリシティが周波数間で反転している。
• 観測されたVの分布は単峰性で、平均がわずかに負であり、周波数間でのVヘリシティの高い相関は、主に分布の形状に起因しており、内在的なOPMのコherencyとは無関係である。
• 本手法により、単一生パスからの個々のOPM寄与を効果的に分離できた。OPMsはパルサーの円偏光を理解するための有効な枠組みであるが、完全には決定論的ではない。