НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

ПЕТРОВА СВІТЛАНА АНАТОЛІЇВНА

УДК 524.354.4

РОЗПОВСЮДЖЕННЯ РАДІОВИПРОМІНЮВАННЯ

В МАГНІТОСФЕРАХ ПУЛЬСАРІВ

Спеціальність 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті

Національної Академії Наук України, м. Харків.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук

Любарський Юрій Ельхононович,

Радіоастрономічний інститут НАН України,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Юхимук Адам Корнилович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

завідуючий відділом космічної плазми;

кандидат фізико-математичних наук

Мусатенко Сергій Іванович,

Астрономічна обсерваторія Київського

національного університету ім. Т.Г.Шевченка,

старший науковий співробітник.

Провідна установа: Державний астрономічний інститут ім. Штернберга, відділ релятивістської астрофізики, м. Москва.

Захист відбудеться “22” квітня 1999 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України (252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАНУ).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної астрономічної обсерваторії НАН України (252650, Київ-22, Голосіїв, ГАО НАНУ).

Автореферат розісланий “20” березня 1999 р.

Вчений секретар Спеціализованої ради

кандидат фізико-математичних наук Гусєва Н.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Пульсари - галактичні радіоджерела з імпульсним характером випромінювання - є одним з найцікавіших об’єктів астрофізичних досліджень. Їх основною особливістю є точна періодичність імпульсів. Періоди пульсарів не перевищують декількох секунд і залишаються стабільними з дуже високою точністю. Перше таке джерело було відкрито у 1967 р., а зараз відомо вже близько 700 пульсарів.

Загальноприйнято ототожнювати пульсари із швидко обертовими замагніченими нейтронними зірками. Вони виникають на заключному етапі еволюції масивних зірок внаслідок вибуху наднової. Випромінювання пульсара зосереджено у вузькому конусі поблизу магнітної осі. Обертання нейтронної зірки приводить до періодичного повторення спостережуваних імпульсів. При цьому, звичайно, період повторення імпульсів збігається з періодом обертання зірки.

Сильне електричне поле, що виникає внаслідок обертання нейтронної зірки із надсильним магнітним полем, може виривати з її поверхні заряджені частинки і прискорювати їх до ультрарелятивістських енергій. Рух цих частинок в магнітному полі пульсара спричиняє розвиток електрон-позитронного каскаду, який заповнює магнітосферу плазмою. Ця плазма тече вздовж магнітних силових ліній у вузькій трубці поблизу магнітної осі і наприкінці покидає магнітосферу в формі пульсарного вітру.

Таким чином, у силовій трубці постійно генерується ультрарелятивістська електрон-позитронна плазма, яка є джерелом радіовипромінювання пульсара. Випромінювання ультрарелятивістської плазми характеризується сильною направленістю вперед, незалежно від механізму випромінювання, - тому ширина імпульсу пульсара повинна визначатися розхилом силової трубки в області генерації випромінювання. Вузькість спостережуваних радіоімпульсів свідчить про те, що випромінювання виникає досить глибоко всередині силової трубки. За теперішнього часу не існує загальноприйнятої теорії генерації радіовипромінювання пульсарів. Одначе ясно, що ряд характеристик пульсарного випромінювання має визначатись властивостями магнітосферної плазми як середовища розповсюдження хвиль. Характеристики хвиль, що виходять з магнітосфери, можуть суттєво змінюватись внаслідок рефракції, еволюції поляризації, циклотронного поглинання та розсіювання на частинках пульсарної плазми. Дана дисертаційна робота присвячена дослідженню ефектів розповсюдження випромінювання в силовій трубці пульсара.

У роботі [1] було показано, що рефракція хвиль у пульсарній плазмі може суттєво змінювати спостережувану ширину радіоімпульсів; крім того, було розглянуто вплив рефракції на частотну залежність ширини імпульсу, виходячи з засновку, що випромінювання в широкому діапазоні частот виникає на фіксованій висоті в силовій трубці. Одначе існує уявлення, що радіохвилі виникають на частотах порядку характерної плазмової частоти (див., напр., [2]). Оскільки густина плазми зменшується з відстанню до нейтронної зірки, випромінювання різних частот має виникати на різних висотах у силовій трубці. Розгляд явища рефракції стосовно до цих умов становить інтерес.

В ультрарелятивістській сильно замагніченій плазмі існують дві лінійно поляризовані нормальні хвильові моди, що розповсюджуються без загасання. Якщо густина плазми зменшується вздовж траєкторії, нормальні хвилі будуть виходити у формі вакуумних електромагнітних хвиль. Поляризація хвиль буде змінюватись вздовж траєкторії, доки густина плазми не стане достатньо малою (див., напр., [3]). Згідно з оцінками, проведеними в роботах [4-5], при розповсюдженні хвиль в силовій трубці пульсара їх поляризація має суттєво змінюватись. У роботі [4] на якісному рівні показано, що випромінювання на виході з магнітосфери має бути еліптично поляризованим. Виникає необхідність детально розрахувати змінювання поляризаційних параметрів при розповсюдженні в магнітосферній плазмі, щоб вияснити, чи може цей ефект пояснити колову поляризацію випромінювання пульсарів, що часто спостерігається поряд з високою лінійною поляризацією.

Єдиним відомим механізмом поглинання в магнітосферах пульсарів є поглинання циклотронне. Ефективність цього процесу дуже висока [6-7], тому можна сподіватися, що в ході циклотронного поглинання частинки плазми набувають достатньо енергії для того, щоб їх рух у системі центра орбіти став релятивістським. Звичайно, у цьому випадку процес поглинання вже не буде описуватись циклотронним перерізом. Становить інтерес розглянути резонансне поглинання частинками, що набули релятивістської обертальної енергії, та оцінити його ефективність в умовах пульсарів.

Спостережуване радіовипромінювання пульсарів має надзвичайно високі яскравісні температури, K. Тому можна сподіватись, що індуковане комптонівське розсіювання радіохвиль на частинках пульсарної плазми грає значну роль. Загальна теорія цього процесу стосовно пульсарів була розвита в роботах [7-9]. У статті [9] виникла суттєва розбіжність з основними рівняннями, одержаними в роботах [7-8]. Для усування суперечностей необхідний більш детальний розгляд процесу індукованого розсіювання в умовах пульсарів.

Таким чином, важливі характеристики хвиль, що виходять з магнітосфери, мають визначатись розповсюдження у плазмі пульсара. Дослідження ефектів розповсюдження поглиблює зв’язок теорії пульсарів з результатами спостережень, у чому і полягає актуальність даної теми.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота виконана у відділі декаметрової радіоастрономії Радіоастрономічного інституту НАН України; її результати одержані в рамках фундаментальних досліджень НАН України за темами “Галактика”, “Парсек”; вони також є складовою частиною НДР “Пульсар” ДКНТ України. Частина результатів дисертації одержана в рамках міжнародного проекту INTAS “The study of pulsars (neutron stars) and their applications in investigations of general relativity”.

Метою даної дисертації є з’ясування особливостей спостережуваного радіовипромінювання пульсарів, що обумовлені ефектами розповсюдження в магнітосфері, а також одержання обмежень на параметри пульсарної плазми. У зв’язку з цим, задача дослідження полягає у вивченні розповсюдження радіохвиль в ультрарелятивістській замагніченій плазмі, що заповнює силову трубку пульсара.

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· вперше одержані рівняння, що описують перенос поляризації в пульсарній плазмі;

· вперше оцінено ступінь колової поляризації випромінювання пульсарів внаслідок ефекту граничної поляризації; проаналізовано зміну ступеня колової поляризації вздовж імпульсу;

· вперше розглянуто синхротронне поглинання за умови малості пітч-кутів частинок;

· вперше оцінено потужність спонтанного синхротронного висвітлення частинок; знайдено, що в короткоперіодичних пульсарах значна частина поглинутої енергії перевипромінюється у далекий ІЧ-діапазон;

· вперше розглянуто індуковане розсіювання радіовипромінювання пульсарів під великим кутом до первісного променя; показано, що цей процес завжди домінує над розсіюванням усередині променя;

· вперше показано, що процес індукованого розсіювання радіовипромінювання може призводити до низькочастотних завалів у спектрах пульсарів.

Практичне значення роботи. Дослідження ефектів розповсюдження радіохвиль у магнітосфері доповнює теорію пульсарів, покращуючи її узгодженість із спостереженнями. Крім того, в роботі намічено можливість діагностики магнітосферної плазми на основі спостережуваних особливостей радіовипромінювання.

Особистий внесок здобувача:

·

· виведені рівняння, що описують еволюцію поляризації нормальних хвиль при розповсюдженні в магнітосферній плазмі; оцінено ступінь колової поляризації, що виникає внаслідок взаємодії нормальних мод в області граничної поляризації;

· знайдено умови, за яких частинки плазми можуть набувати релятивістської обертальної енергії завдяки циклотронному поглинанню падаючого випромінювання; показано, що це завжди виконується в пульсарах;

· одержано формули для коефіцієнтів синхротронного поглинання звичайних і незвичайних хвиль як методом коефіцієнтів Ейнштейна, так і методом теорії плазми; обчислено потужність спонтанного синхротронного висвітлення;

· проведено вивід кінетичного рівняння для індукованого розсіювання радіовипромінювання, що усуває суперечності в літературі; показано, що в умовах пульсарів розсіювання із променя в фон завжди домінує над розсіюванням усередині променя; оцінено ефективність цього процесу.

Апробація роботи. Результати дисертації доповідались на конференції “Фізика нейтронних зірок” (Санкт-Петербург, 1997), а також обговорювались на наукових семінарах у Радіоастрономічному інституті НАН України, у Державному астрономічному інституті ім. Штернберга (Москва), в Інституті космічної фізики (Гарчинг) та в Інституті ядерної фізики (Гейдельберг).

Публікації. Основні результати дисертації викладено у 3 статтях.

Структура та об’єм дисертації. Робота складається зі вступу, п’ятьох розділів, висновку, списку використаної літератури та одного додатку. Загальний об’єм дисертації становить 138 сторінок, у тому числі 15 малюнків, 169 назв бібліографічних джерел на 15 сторінках та додаток на 5 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність теми дисертації, мету дослідження, наукову новизну роботи, її практичну цінність.

У першому розділі (огляді) наведено загальну характеристику пульсарів як об’єкта дослідження. Перший підрозділ містить відомості про спостережувані особливості радіовипромінювання пульсарів. Розглянуто різноманітність форми середніх профілів радіоімпульсів та її інтерпретацію, а також основні властивості середніх профілей: частотну залежність їх ширини, поляризацію, спектр. У другому підрозділі освітлено модель магнітосфери Голдрайха - Джуліана - Старрока. Наведено структуру магнітосфери і параметри пульсарної плазми. Третій підрозділ присвячено огляду запропонованих у літературі механізмів радіовипромінювання пульсарів.

У четвертому підрозділі зроблено висновки. Вузькість та стабільність спостережуваних радіоімпульсів свідчать про те, що випромінювання виникає в глибині магнітосфери, отже ряд характеристик вихідних радіохвиль має визначатись не стільки механізмом генерації, скільки дисперсійними властивостями плазми. Слід зазначити, що дослідження ефектів розповсюдження радіохвиль в пульсарній плазмі може бути проведено на основі загальних принципів будови магнітосфери і воно практично не залежить від прийнятого механізму радіовипромінювання.

У другому розділі розглянуто рефракцію звичайних надсвітлових хвиль в ультрарелятивістській сильно замагніченій плазмі пульсара. Приймалося, що частота вихідних хвиль у власній системі плазми близька до локальної плазмової частоти в області генерації (див., напр., [2]). Очевидно, що тоді відхилення променя внаслідок рефракції в оточуючій плазмі має бути значним. Для кількісного опису еволюції хвильового пакета при розповсюдженні в силовій трубці пульсара були використані рівняння Гамільтона. Чисельні рішення, одержані для різноманітних наборів параметрів, дають змогу визначити основні риси поведінки хвиль, що розповсюджуються в магнітосферній плазмі.

Уздовж траєкторії променя показник заломлювання змінюється завдяки зміні густини плазми і кута між хвильовим вектором та магнітним полем. Градієнт густини впоперек трубки відкритих силових ліній дає визначальний внесок у рефракцію. При цьому промінь відхиляється в бік зменшення густини плазми. Плазмова густина мала як за межею силової трубки, так і поблизу магнітної осі. Отже можна сподіватись, що всередині трубки поперечний градієнт густини приймає і додатні, і від’ємні значення. Оскільки потік плазми розширюється разом із силовою трубкою, поперечний градієнт зменшується з висотою. Таким чином, рефракція суттєво залежить від положення точки генерації променя: чим менша висота (тобто чим вища частота випромінювання), тим сильніша рефракція. Якщо густина плазми меншає в напрямі магнітної осі, промінь відхиляється до осі. У разі достатньо сильної рефракції промінь перетинає вісь і опиняється в області з протилежно направленим градієнтом густини, внаслідок чого він починає відхилятись у протилежний бік. Отже кінцеве відхилення променів є немонотонною функцією частоти.

За умови, що хвилі випромінюються в силовій трубці на частотах порядку локальної плазмової частоти і розповсюджуються без рефракції, ширина імпульсу пульсара змінюється за добре відомим законом: . Одначе рефракція променів у магнітосфері має суттєво впливати на спостережувану ширину імпульсу. Частотна залежність ширини імпульсу має відрізнятись від закону , оскільки рефракція залежить від висоти, на якій виникає промінь, тобто від його частоти.

Внаслідок рефракції в плазмі, густина якої меншає в напрямі межи силової трубки, промені відхиляються від магнітної осі, збільшуючи спостережувану ширину імпульсу, при чому це відхилення тим більше, чим вища частота. На низьких висотах, де генерується випромінювання високих частот, силова трубка достатньо вузька і внесок рефракції в ширину імпульсу є суттєвим. На більших висотах силова трубка розширюється і рефракція стає менш значною, тому ширина імпульсу на низьких частотах в основному визначається шириною силової трубки і, відповідно, росте з довжиною хвилі. Таким чином, на високих частотах ширина імпульсу залишається майже постійною, а на низьких частотах вона росте. Така залежність погоджується зі спостережуваними кривими для багатьох пульсарів. Подібно до того має змінюватися з частотою і відстань між компонентами подвійних профілей, що також погоджується зі спостереженнями.

Якщо густина плазми зменшується в напрямі магнітної осі, промені мають відхилятися до осі. Зі зростанням частоти рефракція стає більш ефективною і відхилення росте; спостережувана ширина імпульсу зменшується, доки промені не почнуть перетинати вісь. Промені, що перетинають вісь, формують протилежну частину профіля; чим сильніше вони відхиляються, тим більша спостережувана ширина імпульсу. Одначе промені, що виникли на ще нижчих висотах, встигають почати відхилення у протилежний бік завдяки протилежно направленому градієнту плазмової густини в області за магнітною віссю, внаслідок чого спостережувана ширина імпульсу знов зменшується. Така частотна залежність ширини імпульсу погоджується із кривими, спостережуваними у деяких пульсарів, отже так звана “абсорбційна особливість” (“absorption feature”) може пояснюватись рефракцією.

У третьому розділі досліджується перенос поляризації нормальних хвиль в обертовій магнітосфері. У плазмі, що занурена у нескінченно сильне магнітне поле, нормальні хвилі лінійно поляризовані. Поблизу емісійної області масштаб биттів нормальних мод набагато менший, ніж характерний масштаб змінювання параметрів плазми, отже нормальні хвилі розповсюджуються незалежно, а їх площина поляризації додержується повороту локального магнітного поля. Оскільки густина плазми зменшується з висотою в силовій трубці, масштаб биттів росте вздовж траєкторії хвиль. Зрештою густина плазми зменшується настільки, що середовище більш не впливає на розповсюдження хвиль; звичайно, їх поляризація стає постійною. Таким чином, вихідна поляризація визначається процесами у так званій області граничної поляризації, де масштаб биттів наближується до масштабу змінювання параметрів плазми і порушується наближення геометричної оптики.

Якщо хвилі випромінюються у площині силових ліній необертового дипольного магнітного поля, площина поляризації не змінюється вздовж траєкторії; тоді нормальні хвилі розповсюджуються незалежно, зберігаючи свій первісний поляризаційний стан. При розповсюдженні в обертовій магнітосфері хвильовий вектор набуває нахилу до локальних площин магнітних силових ліній, отже -площина змінюється вздовж траєкторії. Іншим наслідком обертання, що веде до змінювання -площини, є закручування силових ліній, але цей ефект менш значний. Коли масштаб биттів достатньо зростає, поляризація нормальних хвиль не встигає відслідковувати зміну локального магнітного поля і починається взаємодія хвильових мод.

Проведено кількісний опис еволюції поляризації нормальних хвиль в області граничної поляризації, виходячи з рівнянь Максвелла та рівняння руху частинок в обертовому магнітному полі; одержані рівняння застосовано до магнітосфер пульсарів. Для простісті була розглянута взаємодія нормальних хвиль внаслідок обертання дипольного магнітного поля у двох граничних випадках: та , де - радіус світлового циліндра, - розхил променя, - радіус граничної поляризації. Внаслідок цього ефекту вихідне випромінювання має бути еліптично поляризованим, при чому знак колової компоненти має залишатися постійним уздовж імпульсу. Знайдено, що при ступінь колової поляризації становить кілька процентів і залишається постійним на протязі імпульсу, що погоджується із спостережуваними даними для багатьох пульсарів. Значно більша колова поляризація, спостережувана у деяких пульсарів, може пояснюватися взаємодією хвильових мод у випадку ; при цьому профіль колової поляризації має бути симетричним, з максимумом у центрі.

У четвертому розділі вивчається процес синхротронного поглинання; загальні результати застосовано до пульсарних умов.

Циклотронне поглинання радіохвиль у магнітосферах довгоперіодичних пульсарів, P1c, ефективно за умови: , де - фактор розмножування плазми, а в короткоперіодичних пульсарах, P0.1с, цей процес ефективний за будь-яких реальних умов. Слід зазначити, що кількісний розгляд поглинання можливий лише у тому разі, коли радіус циклотронного резонансу знаходиться всередині світлового циліндра (пульсари з періодами P0.1с, а також рециклені пульсари з періодами P10мс), оскільки умови за світловим циліндром погано відомі.

Оцінки змінювання параметрів плазми у процесі резонансного поглинання, одержані з законів зберігання, свідчать про те, що в системі центра орбіти обертання частинок стає релятивістським за достатньо слабких умов, які завжди виконуються в пульсарах. Коли частинки набувають релятивістської обертальної енергії, характер поглинання має суттево змінюватись.

Загальний розгляд синхротронного поглинання за умовою малості пітч-кутів частинок проведено методом коефіцієнтів Ейнштейна. Виведено формули для коефіцієнтів синхротронного поглинання звичайних та незвичайних хвиль, нехтуючи відмінністю їх показника заломлювання від одиниці. Це наближення обгрунтоване у додатку, де проведено розгляд синхротронного поглинання методами теорії плазми.

Згідно з одержаними формулами, доки пітч-кут частинок менший за кут, під яким падаюче випромінювання нахилено до магнітного поля, в лабораторній системі резонансна частота і коефіцієнти синхротронного поглинання співпадають із відповідними циклотронними величинами. Звичайно, у системі центра орбіти як резонансна частота, так і переріз поглинання змінюються, але ця зміна компенсується сповільненням руху самої системи центра орбіти. Таким чином, оптична товща щодо синхротронного поглинання значна, особливо в короткоперіодичних пульсарах. У цьому випадку тільки неоднорідність розподілу плазми в області резонансу може пояснити вихід випромінювання з магнітосфери.

Знайдено, що потужність синхротронного випромінювання внаслідок спонтанної реемісії поглинутої енергії значно перебільшує відповідну циклотронну потужність. Спонтанна емісія частинок, що мають релятивістські обертальні енергії, сильно залежить від періоду пульсара: в короткоперіодичних пульсарах суттєва частина поглинутої енергії перевипромінюється у далекий ІЧ-діапазон.

У п’ятому розділі розглянуто індуковане розсіювання радіовипромінювання у двох граничних випадках: (сильне магнітне поле) та (слабке поле), де - частота випромінювання у власній системі частинок, - гірочастота. Сильне магнітне поле змінює вид електронної віддачі та перерізу розсіювання, оскільки в цьому випадку частинки плазми рухаються вздовж магнітних силових ліній. Впливом слабкого магнітного поля на процес розсіювання можна знехтувати. Очевидно, що границею стосовності даних наближень є радіус циклотронного резонансу, де . У більшості пульсарів циклотронний резонанс радіочастот відбувається всередині світлового циліндру, отже становить інтерес розглядати обидва наближення. В області резонансу має відбуватися резонансне розсіювання, але циклотронне поглинання є більш суттєвим.

Детально розглянуто розсіювання вузького фотонного променя, що перетинає потік ультрарелятивістської плазми (, де - розхил променя, - лоренц-фактор плазми). Звичайно, якщо поза променем числа заповнення фотонів дорівнюють нулю, індуковане розсіювання може відбуватися тільки всередині променя. Така задача традиційно розглядалася в літературі. Одначе у просторі завжди є фонове випромінювання, і хоча його інтенсивність дуже низька, вона може зростатиекспоненціально внаслідок індукованого розсіювання фотонів променя. Отже якщо оптична товщина щодо індукованого розсіювання в фон буде , числа заповнення фонових фотонів суттєво зростуть, а інтенсивність променя суттєво зменшиться. Таким чином, розсіювання із променя в фон буде ефективним за умовою, що . Імовірність розсіювання на великі кути значно більша, ніж на малі, отже в умовах пульсарів індуковане розсіювання фотонів променя в фон завжди домінує над розсіюванням усередині променя; при цьому розсіювання всередині променя не встигає значно впливати на характеристики випромінювання.

З оцінки оптичної товщини щодо індукованого розсіювання із променя в фон у наближенні сильного магнітного поля випливає, що цей процес може бути ефективним для частот Гц. Можна сподіватись, що він є причиною низькочастотних завалів, спостережуваних у спектрах багатьох пульсарів. Розсіювання, що відбувається у вузькій області поблизу магнітної осі, може бути особливо ефективним, що погоджується із спостережуваними даними про тонку структуру профіля PSR 1919+21. Індуковане розсіювання у наближенні слабкого магнітного поля може також бути суттєвим на частотах Гц, але розсіювання у сильному полі завжди домінує; отже випромінювання розсіюється ще в глибині магнітосфери і не доходить до області слабкого магнітного поля.

У висновках відображено основні результати дисертаційної роботи, які зводяться до наступного.

1. Досліджено рефракцію звичайних надсвітлових радіохвиль, що розповсюджуються в ультрарелятивістській замагніченій плазмі пульсарів. Знайдено, що цей ефект може суттєво впливати на спостережувану ширину імпульсу пульсара. Показано, що урахування рефракції може пояснити якісну поведінку спостережуваних залежностей ширини імпульсу від частоти. Зокрема, так звана “абсорбційна особливість” (“absorption feature”) може пояснюватись рефракцією.

2. Розглянуто перенос поляризації в магнітосфері пульсара. Показано, що завдяки обертанню магнітосфери відбувається взаємодія хвильових мод, внаслідок чого лінійно поляризовані хвилі набувають еліптичної поляризації. Обчислений ступінь колової поляризації вихідного випромінювання погоджується із спостережуваним для багатьох пульсарів.

3. Досліджено процес резонансного поглинання випромінювання частинками пульсарної плазми. Знайдено, що внаслідок циклотронного поглинання частинки можуть набувати релятивістських обертальних енергій. Одержано коефіцієнти синхротронного поглинання звичайних і незвичайних хвиль. Відповідно до проведених оцінок, синхротронне поглинання може бути дуже ефективним, особливо в короткоперіодичних пульсарах. Вихід радіовипромінювання тоді може пояснюватись тільки нерівномірністю розподілу плазми в силовій трубці.

Спонтанне висвітлювання у синхротронному випадку є суттєвим для короткоперіодичних пульсарів. При цьому значна частина поглинутої енергії перевипромінюється у далекий ІЧ-діапазон.

4. Розглянуто індуковане розсіювання радіохвиль. Показано, що в пульсарах розсіювання із променя в фон завжди домінує над розсіюванням усередині променя. Знайдено, що на частотах МГц цей процес ефективний і може призводити до низькочастотних завалів, спостережуваних у спектрах багатьох пульсарів.

Перелік цитованих джерел

1. Barnard J.J., Arons J. Wave propagation in pulsar magnetospheres: refraction of rays in the open flux zone// Astrophys. J. - 1986. - V.302, №1. - P.138-162.

2. Lyubarskii Yu.E. Generation of pulsar radio emission// Astron. and Astrophys. - 1996. - V.308, №3. - P.809-820.

3. Железняков В.В. О поляризации радиоизлучения пульсаров// Изв. высш. уч. зав. - Радиофизика. - 1970. - Т.13, №12. - С.1842-1846.

4. Cheng A.F., Ruderman M.A. A theory of subpulse polarization patterns from radio pulsars// Astrophys. J. - 1979. - V.229, №1. - P.348-360.

5. Barnard J.J. Probing the magnetic field of radio pulsars: a reexamination of polarization position angle swings// Astrophys. J. - 1986. - V.303, №1. - P.280-291.

6. Михайловский А.Б., Онищенко О.Г., Сурамлишвили Г.И. и др. К проблеме выхода электромагнитных волн из магнитосферы пульсаров// Письма в Астрон. ж. - 1982. - Т.8, №11. - С.685-688.

7. Blandford R.D., Scharlemann E.T. On the scattering and absorption of electromagnetic radiation within pulsar magnetospheres// Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. - 1976. - V.174, №1. - P.59-85.

8. Wilson D.B., Rees M.J. Induced Compton scattering in pulsar winds// Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. - 1978. - V.185, №2. - P.297-304.

9. Sincell M.W., Krolik J.H. Magnetized stimulated scattering in pulsar winds// Astrophys. J. - 1992. - V.395, №2. - P.553-563.

Публікації за темою дисертації

1. Любарский Ю.Э., Петрова С.А. Индуцированное рассеяние радиоизлучения в магнитосферах пульсаров// Письма в Астрон. ж. - 1996. - т.22, №6. - C.445-455.

2. Lyubarskii Yu.E., Petrova S.A. Refraction of radio waves in pulsar magnetospheres// Astron. and Astrophys. - 1998. - V.333, №1. - P.181-187.

3. Lyubarskii Yu.E., Petrova S.A. Synchrotron absorption in pulsar magnetospheres// Astron. and Astrophys. - 1998. - V.337, №2. - P.433-440.

АНОТАЦІЯ

Петрова С.А. Розповсюдження радіовипромінювання в магнітосферах пульсарів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 1999.

Розглянуто розповсюдження радіохвиль в ультрарелятивістській замагніченій плазмі пульсарів. Досліджено рефракцію, еволюцію поляризації, синхротронне поглинання та індуковане розсіювання радіовипромінювання. Відзначено спостережувані наслідки ефектів розповсюдження радіохвиль в магнітосферах пульсарів.

Проаналізовано вплив рефракції хвиль на частотну залежність ширини імпульсу пульсара. Обчислено ступінь колової поляризації пульсарного випромінювання внаслідок взаємодії хвильових мод в області граничної поляризації. Розвито теорію синхротронного поглинання, оцінено його ефективність в умовах пульсарів. Уперше розглянуто індуковане розсіювання радіохвиль із променя в фон. Показано. що цей процес може пояснювати низькочастотні завали в спектрах пульсарів.

Ключові слова: пульсари, розповсюдження радіохвиль, ультрарелятивістська замагнічена плазма, рефракція. взаємодія хвильових мод, гранична поляризація, синхротронне поглинання, індуковане розсіювання.

ABSTRACT

Petrova S.A. The propagation of radio emission in pulsar magnetospheres. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on the speciality 01.03.02 - astrophysics and radioastronomy. - The Main Astronomical Observatory of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 1999.

The thesis is devoted to the investigation of radio wave propagation in an ultrarelativistic highly magnetized pulsar plasma. Refraction, polarization evolution, synchrotron absorption and induced scattering of radio emission are considered. The observational consequences of these effects are analysed as well.

Refraction of ordinary superluminous waves is treated on the basis of Hamilton’s equations. Obtained numerical solutions permit to outline the characteristic features of radio wave behaviour in pulsar plasma. Refraction appears to occur mainly on account of plasma density gradient across the open field line tube, the ray deviation being directed oppositely to the gradient. At large distances from the neutron star the plasma flow widens, so that transverse density gradient decreases and refraction ceases. Given that the radiation at a given frequency originates at a corresponding radius refraction should be essentially dependent on the frequency.

In the plasma with the density decreasing towards the tube edge the rays deviate away from the magnetic axis causing the enhancement of the observed pulse width. At high frequencies refraction is found to contribute essentially to the pulse width, while at low ones the pulse width is chiefly determined by the open field line tube width. Thus at high frequencies the pulse width remains almost constant and at low ones it increases with the wavelength. Such dependence is compatible with the pulse width versus frequency curves observed for a number of pulsars.

Provided that the plasma density increases outwards the tube the rays should deviate towards the magnetic axis. The deviation increases with the frequency and leads to the corresponding decrease of the pulse width. At least the rays begin to intersect the axis. Then they form the opposite half of the profile, the pulse width increasing with the frequency. The rays emitted at still higher frequencies have time to start deviation in the opposite direction due to oppositely directed transverse density gradient in the region beyond the magnetic axis. This results in repeat decrease of the pulse width. Such dependence of the pulse width upon the frequency agrees with the curves with the so called “absorption feature” observed for some pulsars.

Polarization transfer of normal waves in the rotating magnetosphere is examined. The ultrarelativistic plasma embedded in a superstrong magnetic field allows two nondamping normal waves. In the emission region, they are linearly polarized. While propagating inside the magnetosphere, the waves are influenced by the plasma. The emergent polarization is known to be set up by the wave mode coupling in the polarization-limiting region. As a result of this effect the outgoing radiation should be elliptically polarized, with the sense of the circular component being the same throughout the pulse. The quantitative description of the polarization evolution is carried out proceeding from Maxwell’s equations together with the equation of plasma particle motion in the rotating magnetosphere. It is shown that at pulsar conditions the final degree of circular polarization due to the wave mode coupling ranges from a few to dozens per cents. The polarization profiles are compatible with those observed for a number of pulsars.

Resonance absorption of pulsar radiation by the plasma particles is studied. Cyclotron absorption is known to be significant in pulsar magnetospheres. It is found that as a result of this process the particles can readily acquire relativistic gyration energies. General theory of synchrotron absorption is developed in terms of the Einstein’s coefficient method. The absorption coefficients for ordinary and extraordinary waves are also obtained by plasma methods. As long as the energy absorbed is less than the initial plasma energy both the frequency of the absorbed radiation and the absorption coefficients remain the same as in the cyclotron case. Corresponding absorption depth appears to be high, especially in the short-period pulsars. The radio wave escape from the magnetosphere then can be explained only by the nonuniformity of plasma distribution within the open field line tube. In short-period pulsars, a significant fraction of the energy absorbed is found to be reemitted spontaneously in the far infrared band.

The induced scattering of pulsar radio emission by the plasma particles is investigated. Kinetic equations describing the change of photon occupation numbers in the course of the scattering are deduced. It is shown that at pulsar conditions the induced scattering from the beam to a background always dominates over the scattering inside the beam. The process turns out to be intense at frequencies 100 MHz. It can account for the low - frequency turnovers observed in pulsar spectra.

Key words: pulsars, radio wave propagation, ultrarelativistic highly magnetized plasma, refraction, wave mode coupling, limiting polarization, synchrotron absorption, induced scattering.

АННОТАЦИЯ

Петрова С.А. Распространение радиоизлучения в магнитосферах пульсаров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 1999.

Рассмотрено распространение радиоволн в ультрарелятивист-ской замагниченной плазме пульсаров. Исследована рефракция, эволюция поляризации, синхротронное поглощение и индуцированное рассеяние радиоизлучения. Отмечены наблюдательные следствия эффектов распространения радиоволн в магнитосферах пульсаров.

Проанализировано влияние рефракции волн на частотную зависимость ширины импульса пульсара. Вычислена степень круговой поляризации пульсарного излучения вследствие взаимодействия волновых мод в области предельной поляризации. Развита теория синхротронного поглощения, оценена его эффективность в условиях пульсаров. Впервые рассмотрено индуцированное рассеяние радиоволн из луча в фон. Показано, что этот процесс может объяснять низкочастотные завалы в спектрах пульсаров.

Ключевые слова: пульсары, распространение радиоволн, ультрарелятивистская замагниченная плазма, рефракция, взаимодействие волновых мод, предельная поляризация, синхротронное поглощение, индуцированное рассеяние.