[論文レビュー] Interstellar Plasma Turbulence Spectrum Toward the Pulsars PSR B0809+74 and B0950+08

T. V. Smirnova, V. I. Shishov|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2008

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、パulsar PSR B0809+74およびB0950+08の低周波数（41–112 MHz）の scintillations を分析し、銀河間プラズマ乱流を調査する。多周波数構造関数解析を用いて、B0809+74 方向では n = 3.7 ± 0.1 のべき乗スペクトルを発見した（Kolmogorov と整合）。一方、B0950+08 方向では n = 3.00 ± 0.05 であり、非Kolmogorov乱流を示唆する。Kolmogorovスケーリングからの逸脱の原因は、強い方位角的屈折および電子密度が増加した約10 pcの局所的乱流層であると特定された。

ABSTRACT

Interstellar scintillations of pulsars PSR B0809+74 and B0950+08 have been studied using observations at low frequencies (41, 62, 89, and 112 MHz). Characteristic temporal and frequency scales of diffractive scintillations at these frequencies have been determined. The comprehensive analysis of the frequency and temporal structure functions reduced to the same frequency has shown that the spectrum of interstellar plasma inhomogeneities toward both pulsars is described by a power law. The exponent of the spectrum of fluctuations of interstellar plasma inhomogeneities toward PSR B0950+08 (n = 3.00 +- 0.05) appreciably differs from the Kolmogorov exponent. Toward PSR B0809+74 the spectrum is a power law with an exponent n = 3.7 +- 0.1. A strong angular refraction has been detected toward PSR B0950+08. The distribution of inhomogeneities along the line of sight has been analyzed; it has been shown that the scintillations of PSR B0950+08 take place on a turbulent layer with enhanced electron density, which is localized at approximately 10 pc from the observer. For PSR B0809+74 the distribution of inhomogeneities is quasi-uniform. Mean-square fluctuations of electron density on inhomogeneities with a characteristic scale rho_0 = 10^7 m toward four pulsars have been estimated. On this scale the local turbulence level in the 10-pc layer is 20 times higher than in an extended region responsible for the scintillations of PSR B0809+74.

研究の動機と目的

• 近隣のパulsar PSR B0809+74およびB0950+08 方向における銀河間プラズマ不均一性スペクトルを、低周波 scintillations データを用いて調査すること。
• 銀河間媒体の局所的領域において、乱流スペクトルが Kolmogorov スケーリング（n=3.67）から逸脱しているかどうかを特定すること。
• 視線方向に沿ったプラズマ不均一性の空間的分布、特に局所的乱流層の存在を特定すること。
• PSR B0950+08 の scintillations における方位角的屈折効果の強さを定量し、乱流構造に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• プシュコフ電波天文台のBSAおよびDKR-1000電波望遠鏡を用い、41、62.43、88.57、111.87 MHz で多周波数 scintillations 測定を実施した。
• 128チャンネル受信機（帯域幅1.25 kHzおよび20 kHz）を用い、時間および周波数分解能を最適化することで、高精度な構造関数解析を可能にした。
• scintillations データから位相構造関数を計算し、共通周波数に補正してバンド間比較を可能にした。
• 時間的および周波数的構造関数の包括的解析により、純粋に回折支配と屈折支配の scintillations モードを区別した。
• 外部干渉を補正し、チャンネル間のノイズ分散を均一化することで、一様な信号対雑音比を確保した。
• 純粋に回折型と屈折影響を受ける scintillations モデルの比較を用い、強い方位角的屈折および局所的乱流層の存在を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B0950+08 方向における銀河間プラズマ乱流スペクトルは、Kolmogorov スケーリング（n=3.67）から逸脱しているか？
• RQ2 観測された乱流スペクトルの逸脱の原因は何か？ これは局所的プラズマ構造によるものか？
• RQ3 PSR B0950+08 の scintillations に方位角的屈折の証拠があるか？ また、それは観測された構造関数にどのように影響するか？
• RQ4 PSR B0950+08 方向の視線に沿って、散乱の主な源はどこに位置し、その電子密度増加はどの程度か？
• RQ5 PSR B0809+74 の scintillations を引き起こす拡散領域と比較して、10 pc の局所的乱流層内の乱流強度はどの程度か？

主な発見

• PSR B0950+08 方向における銀河間プラズマ不均一性スペクトルは、べき乗則で記述され、指数 n = 3.00 ± 0.05 である。これは Kolmogorov 値（3.67）から顕著に逸脱している。
• PSR B0809+74 方向では、スペクトルがべき乗則に従い、指数 n = 3.7 ± 0.1 である。これは誤差範囲内で Kolmogorov スケーリングと整合する。
• PSR B0950+08 方向では、強い方位角的屈折が検出された。これは、約200–300 MHz における回折的 timescale および周波数依存性の折り返し（turnover）によって示された。
• PSR B0950+08 の scintillations は、地球から約10パーセクの距離に位置する局所的乱流層から起因しており、過去のモデルにおける成分Cと同定された。
• ρ₀ = 10⁷ m のスケールにおいて、この10 pcの乱流層内の乱流強度は、PSR B0809+74 の scintillations を引き起こす拡散領域の20倍にのぼる。
• PSR B0950+08 方向の視線に沿った不均一性の分布は非一様であり、散乱は主に1つの乱流層によって支配されている。一方、PSR B0809+74 の場合は分布が準一様である。