射電脈沖星PSRB0329+54模式持續(xù)時(shí)標(biāo)分布的觀測(cè)研究

陳建玲，王洪光，王 娜，蘇江波

(1. 運(yùn)城學(xué)院 物理與電子工程系，山西 運(yùn)城 044000；2. 中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011)(3. 廣州大學(xué) 天體物理中心，廣東 廣州 510006)

射電脈沖星PSRB0329+54模式持續(xù)時(shí)標(biāo)分布的觀測(cè)研究

陳建玲1,2，王洪光3，王 娜2，蘇江波1

(1. 運(yùn)城學(xué)院 物理與電子工程系，山西 運(yùn)城 044000；2. 中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011)(3. 廣州大學(xué) 天體物理中心，廣東 廣州 510006)

利用烏魯木齊25米望遠(yuǎn)鏡在2004年3月份將近20天的數(shù)據(jù)，我們研究了PSRB0329+54在1.5GHz的模式變化。通過(guò)測(cè)量得出每個(gè)子積分輪廓前導(dǎo)成分和后隨成分的相對(duì)強(qiáng)度的比值R的分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，R的分布很好的符合高斯分布。我們統(tǒng)計(jì)了在這段觀測(cè)中正常模式和反常模式的內(nèi)稟持續(xù)時(shí)標(biāo)分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常模式和反常模式的時(shí)標(biāo)分布均服從伽馬分布，最佳時(shí)標(biāo)參數(shù)分別為154.2分鐘和31.5分鐘。

脈沖星；模式變化；持續(xù)時(shí)標(biāo)；伽馬分布

0. 引言

脈沖星是能夠發(fā)出周期性信號(hào)的致密天體，大多數(shù)射電脈沖星的累積輪廓的形狀非常穩(wěn)定，但少數(shù)一些脈沖星的輪廓可以觀測(cè)到兩種或者兩種以上的形狀，這就是脈沖星的模式變化現(xiàn)象。PSRB0329+54是具有模式變化的典型的一顆源，這顆源流量很強(qiáng)，且模式變化頻繁。Lyne(1971)[1]第一次在408MHz探測(cè)到這顆源的反常模式，在每次幾個(gè)小時(shí)的連續(xù)觀測(cè)中，反常模式可以持續(xù)長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘。而在2.7GHz和14.8GHz頻率上的觀測(cè)說(shuō)明，較高頻率反常模式的輪廓與其在408MHz的輪廓并不相同(Hesse1973，Bartel1978)[2，3]。1977年5月14.8GHz的觀測(cè)中，正常模式和反常模式分別觀測(cè)到的總時(shí)間為2.6hr和0.7hr(Bartel1978)[3]。

Bartel(1982)綜合了在410M-14.8GHz很寬頻率范圍內(nèi)的觀測(cè)結(jié)果，總結(jié)出脈沖星模式變化發(fā)生時(shí)，由于不同的脈沖成分相位發(fā)生變化而導(dǎo)致總的脈沖寬度變窄，反常模式不同成分的譜會(huì)變平或者變陡[4]。所有的偏振性質(zhì)，尤其是線偏振位置角都要受到模式變化的影響，并且發(fā)現(xiàn)模式變化在1.4和9.0GHz兩個(gè)頻率上同時(shí)發(fā)生。在對(duì)PSRB0329+54在1.4GHz的脈沖輪廓進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)后(約2.3天)，他們得出結(jié)論，反常模式的持續(xù)時(shí)間一般從幾個(gè)脈沖周期到幾個(gè)小時(shí)，而模式變化的切換時(shí)間甚至可以短至一個(gè)周期。該項(xiàng)工作首次把1.4GHz的反常模式的輪廓分成三種。Suleimanova&Pugachev(2002)將觀測(cè)延伸到較低的頻率111.4MHz,并且發(fā)現(xiàn)，在模式變化發(fā)生時(shí)，只有一半的情況下外面成分相對(duì)于中心成分的相對(duì)強(qiáng)度也在同時(shí)變化[5]。

Xilourisetal.(1995)[6]首次對(duì)這顆源在10.5GHz進(jìn)行了偏振觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)頻率上，反常模式出現(xiàn)的概率大約也為15%，這與1.4GHz的觀測(cè)結(jié)果是一致的，但這個(gè)頻率上的偏振性質(zhì)與1.7GHz的有很大差別(Barteletal.1978)。在32GHz頻率上，也可以很清楚地看到PSRB0329+54的模式變化(Krameretal. 1996)[7]。對(duì)這顆源模式變化的觀測(cè)最高頻率可以達(dá)到43GHz(Krameretal.1997)[8]。

利用烏魯木齊南山25米望遠(yuǎn)鏡，Alietal.(2003)對(duì)PSRB0329+54在327MHz和610MHz兩個(gè)頻率的模式變化進(jìn)行了觀測(cè)，分別得到了正常模式和反常模式所對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)成分和后隨成分的相對(duì)譜指數(shù)[9]，之后，Liuetal. (2006)用同樣的系統(tǒng)對(duì)這顆源進(jìn)行了單脈沖觀測(cè)，并且同時(shí)觀測(cè)到了正常模式和反常模式[10]。我們總結(jié)了以前關(guān)于這顆源的模式變化的工作，見(jiàn)表1。從中可以看出，以前的觀測(cè)工作主要限制在幾個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間范圍內(nèi)，而觀測(cè)我們的工作研究了PSRB0329+54在1.5GHz2004年3月兩段八天的準(zhǔn)連續(xù)數(shù)據(jù),這是目前同類(lèi)數(shù)據(jù)中最長(zhǎng)的,為我們深入分析模式時(shí)標(biāo)特征提供了必備條件。

表1 PSR B0329+54的模式變化的觀測(cè)總結(jié)

1．觀測(cè)數(shù)據(jù)以及處理方法

我們的觀測(cè)數(shù)據(jù)利用的是南山25米望遠(yuǎn)鏡得到的，其中心頻率為1540MHz，總帶寬為320MHz，一個(gè)周期采樣點(diǎn) 256 個(gè)bins，最短積分時(shí)間 59.9秒，更多關(guān)于觀測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹見(jiàn)Wangetal.2001[11]。觀測(cè)時(shí)間為2004年3月12日到3月31日,由兩段準(zhǔn)連續(xù)觀測(cè)組成， 每段持續(xù)8天(中間間斷 2.3 天)，前八天的持續(xù)時(shí)間為180.2小時(shí)，后八天的持續(xù)時(shí)間為178.2小時(shí)，總時(shí)間360 小時(shí)。觀測(cè)窗口有很多小的間隙，間隙的時(shí)間大約是幾分鐘，這可能是由于觀測(cè)程序原因造成的。在1.5GHz，PSRB0329+54輪廓不同模式的主要特征是成分Ⅰ和Ⅲ的相對(duì)強(qiáng)度的變化，如圖1所示，給出了這顆源的正常模式和反常模式的平均輪廓(該圖是對(duì)所有正常模式和反常模式持續(xù)時(shí)間分別長(zhǎng)于25分鐘和15分鐘的輪廓序列進(jìn)行疊加后得到的)。

圖1 PSR B0329+54正常模式和反常模式的平均輪廓圖

圖1中PSRB0329+54正常模式(實(shí)線)和反常模式(虛線)的平均輪廓，分別是對(duì)2000個(gè)以上的脈沖周期疊加得到的結(jié)果。圖中的點(diǎn)表示觀測(cè)的256個(gè)采樣點(diǎn)在脈沖輻射窗口和中間以及附近的部分。點(diǎn)線為劃分輪廓成分Ⅰ，Ⅱ，和Ⅲ時(shí)的邊界。

2. 結(jié)果

2.1 比例R隨時(shí)間的變化

圖2中給出了為2004年3月兩段數(shù)據(jù)前八天的連續(xù)觀測(cè)所對(duì)應(yīng)的R隨時(shí)間的變化。橫坐標(biāo)表示觀測(cè)時(shí)間，縱坐標(biāo)起伏較大的線表示比值R，起伏較小的線表示比值R′，圖中圓圈的部分表示觀測(cè)間隙。

從圖中可以很明顯地看出，比值R在(0.35-0.8)之間和(0.7-1.8)兩個(gè)區(qū)域之間變化，分別對(duì)應(yīng)著輪廓的正常模式和反常模式，比值R′和R也有相同的變化趨勢(shì)。根據(jù)比例R的明顯區(qū)別，我們可以很容易的區(qū)分出PSR B0329+54的脈沖輪廓的正常模式和反常模式。在兩段長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)連續(xù)觀測(cè)中，我們可以分別識(shí)別出244次正常模式和133次反常模式序列。

圖2

2.2 比例R的分布

圖3

圖3給出了兩段準(zhǔn)連續(xù)數(shù)據(jù)的正常模式和反常模式比例R的分布。左圖為正常模式，右圖為反常模式。

我們用了2004年3月12日到3月31日的準(zhǔn)連續(xù)數(shù)據(jù)來(lái)研究比例R的分布，這段時(shí)期內(nèi)總的積分時(shí)間為360.2小時(shí)，占了所有總觀測(cè)時(shí)間的69%。正常模式和反常模式比例R的直方圖分別見(jiàn)圖3，該圖表明R的分布很好地符合高斯分布，所以可以得出脈沖輪廓存在兩種主要模式的結(jié)論。反常模式的比例的分布要比正常模式的比例分布離散很多，這表明反常模式?jīng)]有正常模式穩(wěn)定，這與以前的工作是一致的，即反常模式比正常模式有更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)標(biāo)(Helfand1975)[13]。

4.3 模式持續(xù)時(shí)標(biāo)分布

兩段觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口由148個(gè)觀測(cè)子窗口和47個(gè)時(shí)間間隙組成。圖4給出了準(zhǔn)連續(xù)數(shù)據(jù)觀測(cè)到的正常模式和反常模式的持續(xù)時(shí)標(biāo)分布。左圖為正常模式，右圖為反常模式，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為分鐘，縱坐標(biāo)為出現(xiàn)的次數(shù)。由于觀測(cè)窗口時(shí)間為3個(gè)小時(shí)，所以正常模式的持續(xù)時(shí)間在175分鐘附近出現(xiàn)一個(gè)峰值。從中可以看出，反常模式比正常模式典型的時(shí)間尺度要短得多，且無(wú)論對(duì)于正常模式還是反常模式，在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度出現(xiàn)的次數(shù)較少。

圖4

由于觀測(cè)窗口存在間隙，所以我們要從觀測(cè)到的脈沖星模式持續(xù)時(shí)標(biāo)的分布得到其內(nèi)稟的持續(xù)時(shí)標(biāo)分布，需要用貝葉斯推斷的方法。Chenetal.2011年在工作中[14]，利用這兩段持續(xù)八天的準(zhǔn)連續(xù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合JodrellBank天文臺(tái)15米射電望遠(yuǎn)鏡610MHz的每天觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用貝葉斯推斷的方法對(duì)反常模式內(nèi)稟的持續(xù)時(shí)標(biāo)做了限定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比正態(tài)分布，比對(duì)數(shù)正態(tài)分布以及帕累托分布，形狀參數(shù)略小于1的伽馬分布能夠更好地描述模式內(nèi)稟的持續(xù)時(shí)標(biāo)分布。對(duì)于正常模式和反常模式，伽馬分布的最佳時(shí)標(biāo)參數(shù)分別為154.2分鐘和31.5分鐘。而形狀參數(shù)也有類(lèi)似的值，對(duì)于正常模式為0.75(-0.17～+0.22)，而對(duì)于反常模式則為0.84(-0.22～+0.28)，這說(shuō)明兩種模式的物理機(jī)制可能是相同的。這項(xiàng)工作首次成功地限定了這顆脈沖星內(nèi)稟的持續(xù)時(shí)標(biāo)分布，這為我們從物理上理解脈沖星模式變化現(xiàn)象提供了非常有用的信息。

3. 總結(jié)和討論

利用烏魯木齊南山25米射電望遠(yuǎn)鏡在2004年3月將近20天的準(zhǔn)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們研究了PSRB0329+54的模式變化現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比例R的分布的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PSRB0329+54有兩種主要模式，分別為正常模式和反常模式。兩種模式的主要區(qū)別在于前導(dǎo)成分和后隨成分相對(duì)強(qiáng)度的變化以及模式的持續(xù)時(shí)標(biāo)。通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，正常模式和反常模式分別占了觀測(cè)時(shí)間的84.9%和15.1%，這與以前的工作是一致的。正常模式和反常模式觀測(cè)到的最長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間分別達(dá)4.4小時(shí)和2.47小時(shí)。平均脈沖輪廓的正常模式和反常模式的前導(dǎo)和后隨成分的相對(duì)強(qiáng)度的比值都很好地符合高斯分布，其中正常模式和反常模式對(duì)應(yīng)的平均值分別為0.56和1.17。反常模式比正常模式對(duì)應(yīng)著更寬的高斯分布的寬度，這說(shuō)明反常模式?jīng)]有正常模式穩(wěn)定。

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【責(zé)任編輯 馬太來(lái)】

The Observational Study of Timescale Distributions for PSR B0329+54 Mode

Chen Jian-Ling1，2，Wang Hong-Guang3, Wang-Na2, Su Jiang-Bo1

(1.DepartmentofPhysicsandElectronicEngineering，YunchengUniversity,Yuncheng044000,China) (2.XinjiangAstronomicalObservatory,Urumqi,Xinjiang,830011,China) (3.CenterforAstrophysics,GuangzhouUniversity,Guangzhou51006,China)

he mode-switching phenomenon of PSR B0329+54 was studied by using the 20 days’ data of March in 2004 by Urumqi 25 m radio telescope at 1540 MHz. The distributions of relative intensity between the leading and trailing component were measured for the individual profiles. It is found that the ratio follows Gauss distribution well. The intrinsic mode timescale distributions for normal and abnormal mode were also calculated with our data. The results show that both timescale distributions of normal and abnormal mode are according with Gamma distribution, where the best scales time parameters is 154.2 minutes for normal mode and 31.5 minutes for abnormal mode separately.

Pulsars；Mode change; Timescale distribution

2015-08-11

西部之光(XBBS201422)；國(guó)家自然科學(xué)基金(U1431125)；運(yùn)城學(xué)院博士啟動(dòng)基金(YQ-2012011,YQ-2014013)

陳建玲(1981-)，女，山西新絳人，運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系講師，博士，研究方向?yàn)樯潆娒}沖量的觀測(cè)與理論。

O

A

1008-8008(2015)06-0038-04