[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究通过分析脉冲星 PSR B0809+74 和 B0950+08 在低频（41–112 MHz）的闪烁现象，探测银河系星际等离子体湍流。利用多频段结构函数分析，发现 PSR B0809+74 方向的谱指数为 n = 3.7 ± 0.1，与 Kolmogorov 湍流一致；而 PSR B0950+08 方向的谱指数为 n = 3.00 ± 0.05，表明存在非 Kolmogorov 湍流。强角折射效应以及位于约 10 pc 处、电子密度增强的局域湍流层被确定为偏离 Kolmogorov 标度的原因。

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.

研究动机与目标

• 利用低频闪烁数据，研究附近脉冲星 PSR B0809+74 和 B0950+08 方向的星际等离子体非均匀性谱。
• 确定湍流谱是否在银河系介质的局部区域偏离 Kolmogorov 标度（n=3.67）。
• 确定视线方向上等离子体非均匀性的空间分布，特别是局域湍流层的存在。
• 量化 PSR B0950+08 闪烁中角折射效应的强度及其对湍流结构的影响。

提出的方法

• 使用 Pushkov 射电天文台的 BSA 和 DKR-1000 望远镜，在 41、62.43、88.57 和 111.87 MHz 频率点进行多频段闪烁测量。
• 通过 128 通道接收机（带宽分别为 1.25 kHz 和 20 kHz）优化时间与频率分辨率，以实现高精度的结构函数分析。
• 从闪烁数据中计算相位结构函数，并统一到相同频率，以实现不同频段间的比较。
• 对时间与频率结构函数进行全面分析，以区分纯粹的衍射性与折射主导型闪烁区。
• 对数据进行干扰消除，并对各通道进行归一化，以确保信噪比一致。
• 通过比较纯衍射与受折射影响的闪烁模型，推断强角折射及局域湍流层的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSR B0950+08 方向的星际等离子体湍流谱是否偏离 Kolmogorov 标度（n=3.67）？
• RQ2 观测到的湍流谱偏离是由局域等离子体结构引起的吗？
• RQ3 PSR B0950+08 的闪烁中是否存在角折射的证据？其对观测结构函数有何影响？
• RQ4 PSR B0950+08 视线方向上主要散射源位于何处？其电子密度增强程度如何？
• RQ5 该 10 pc 局域层中的湍流强度与 PSR B0809+74 闪烁所对应的扩展区域相比如何？

主要发现

• PSR B0950+08 方向的星际等离子体非均匀性谱最符合幂律谱，谱指数为 n = 3.00 ± 0.05，显著偏离 Kolmogorov 值 3.67。
• 对于 PSR B0809+74，谱指数为 n = 3.7 ± 0.1，与 Kolmogorov 标度在误差范围内一致。
• 在 PSR B0950+08 方向检测到强角折射，表现为在约 200–300 MHz 频率范围内的衍射时间尺度和频率依赖性的转折。
• PSR B0950+08 的闪烁来源于距离地球约 10 秒差距处的局域湍流层，其电子密度增强，与先前模型中的组分 C 一致。
• 在 ρ₀ = 10⁷ m 尺度上，该 10 pc 湍流层的湍流强度是导致 PSR B0809+74 闪烁的扩展区域的 20 倍。
• PSR B0950+08 视线方向上非均匀性的分布不均匀，散射主要由单一湍流层主导；而 PSR B0809+74 的分布则近似均匀。