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星际闪烁和散射.

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1 星际闪烁和散射

2 星际介质对信号传播的影响 星际介质分布在恒星和恒星之间,包括星际气体、星际尘埃、宇宙线与星际磁场。
星际介质对地球上所接受天体辐射信号的影响: 1. 色散展宽(DM) 2. 散射 3. 法拉第旋转(Faraday Rotation) 4. 星际闪烁(Scintillation) 由一定尺度上的介质非均匀性引起

3 脉冲星——星际介质的探针 脉冲星辐射是动态的信号:色散展宽,电子柱密度。 散射:导致轮廓展宽
脉冲星辐射具有偏振:法拉第旋转探测星际磁场分布。 脉冲星辐射被限制限制在很小的角径范围,近似点光源:星际闪烁。

4 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
色 散 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

5 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
散射 导致脉冲轮廓展宽 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

6 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
散射 导致脉冲轮廓展宽 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

7 星际磁场引起的 法拉第旋转旋转量RM

8 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
星际闪烁 经过薄屏后信号的相位和幅度的变化 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
星际闪烁 展宽角径 散射展宽 薄屏模型可以较好地符合大部分观测现象 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

10 Apparent source diameters
D-d d 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

11 星际介质在空间的分布 空间分布理论模型 其中q=1/a为波数,湍流扰动尺度的倒数。 :视线方向电子密度平均空间湍动强度。

12 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
星际介质在空间的分布 β=11/3:Kolmogorov谱 当β≥ 4 时,陡谱模型 ( Bandford & Narayan 1985 ) 内尺度模型(inner scale)(Coles et al. 1987) 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

13 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
散射理论:等效屏模型 薄屏模型:不均匀区的典型大小为a,厚度为D,各处的折射率不同,是随机分布的,平均折射率接近于1。 厚屏模型:弥漫于脉冲星与观测者之间 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

14 脉冲星星际闪烁 衍射式闪烁: Scheuer 1968; Rickett, 1969 星际介质小空间尺度:108—1010 cm;
特征时标 : ∝ 1/D ∝ ν 几分钟到几小时, 消相干带宽 : ∝ 1/D ∝ ν 100 KHz到几十MHz;

15 折射式闪烁:Sieber 1982; Rickett, 1984
星际介质大空间尺度:1012—1014 cm; 特征时标:几天到几月甚至年; ∝ D ∝1/ν 长期流量变化 对衍射式闪烁的有关特征量例如特征时间,特征带宽,漂移模式等有调制作用。

16 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
描述DISS动态谱(薄屏模型) Theory prediction of DISS parameters (Thin scattering screen model) β<4 β>4 Kolmogorov谱 (β=11/3): 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

17 V iss: Pulsar transverse velocities derived from diffractive scintillation spectra:
脉冲星的自行为主导 地球公转速度沿视线 方向曲线变化 忽略介质速度 曲线变化

18 Gupta (1994): Thin screen, S D-d d

19 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
=11/3: Kolmogorov fluctuation spectrum =4 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

20 u=sF/sd : describe the scattering strength
sF is the Fresnel scale at the scattering disk at which the geometric phase difference is 1 radian compared to the direct path; sd is a scale at the observer at which the average phase changes is 1 radian. u<1: weak scattering u>1: strong scattering

21 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

22 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
流量变化和调制指数 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

23 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
For nearby pulsars, the modulation is weak, and DISS will be main effect. For Kolmogorov spectrum, mu5/6 → m<1 For larger DM, DISS effect is weaker, and m  DM-1. But RISS is stronger, with m  u-1/3. (u  D, so m  DM-1/3) 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

24 Diffractive scintillation(DISS): short narrow
Oral presentation at IAUC 182 Submitted to CJAA d : △d: Diffractive scintillation(DISS): short narrow Refractive scintillation(RISS): long wide

25 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
闪烁研究 五颗脉冲星在1540 MHz的长期星际闪烁监测 每9天观测一次,数据2001年1月2002年6月 积分2-6hr,子积分2-4min 被观测脉冲星: PSR B PSR B PSR B PSR B PSR B Wang, N.; Manchester, R. N.; Johnston, S.; Rickett, Bet al.: 2005, MNRAS, 358, 270 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

26 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
PSR B 的动态谱 DM=26.8 pc cm-3 D = 1.06 kpc 3 hr 的观测 结果: Δtd~10-30 min Δνd ~5-15 MHz 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

27 二维自相关分析 二维自相关 特征时间和特征频率

28 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
闪烁二维动态谱 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

29 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
二维自相关函数 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

30 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

31 Modelling ACFs for PSR B0329+54
strong scattering thin disk Kolmogorov spectrum

32 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
闪烁参数与频率的依赖关系 a. Bhat, Rao & Gupta 1999 b. Gupta, Rickett & Lyne 1994 c. Stinebring, Fainon & Mckinnon 1996 d. Our results 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

33 Daily Observations of Interstellar Scintillation in PSR B0329+54
Obs: Mar 12—31, 2004 Wang, N.; Yan, Z.; Manchetser, R. N. et al.: 2008, MNRAS

34 Daily Observations of Interstellar Scintillation in PSR B0329+54

35 调制系数 对于Kolmogorov 谱,调制系数的理论值

36 调制系数理论和观测的对比

37 Modulation indices Observed > prediction !!

38 闪烁参数的互相关 Cross correlation
Wang, N.; Yan, Z.; Manchetser, R. N. et al.: 2008, MNRAS, accepted

39 二次谱 Secondary Spectra, Two dimensional FFT of dynamic spectrum
Observing the structure of central image !

40 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

41 Kolmogorov Spectrum β=3.67

42 折射式衍射特征时间 Theory prediction:

43 Structure Function

44 衍射式星际闪烁的参量

45 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
NE2001模型 Cordes & Lazio 2003 a,b TC93模型 Taylor & Cordes 1993 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

46 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
闪烁和自行速度的相关性 Gupta 1995 Harrison & Lyne 1993 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

47 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
Putney & Stinebring 2006 2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

48 Pulsar Workshop, 2009, Beijng
2019/4/9 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

49 脉冲星的自行速度 脉冲星闪烁速度 银河系星际电子密度模型

50 Putney & Stinebring 2006

51 据已知的脉冲星速度和距离得到的脉冲星闪烁速度的期望值。
Gupta 1995 Bogdanov et al. 2002

52 闪烁参数和闪烁速度的周年变化 (星号是零星观测的的处理结果)
消相关带宽周年变化图

53 闪烁时标周年变化

54 闪烁速度随时间变化图(X=1)

55 一年观测得到的闪烁速度值为65±13 km/s (x=1)
考虑到散射屏的位置,假设x=2,取得到的速度值为92±18 km/s 与自行速度一致(Wang et al. 2008:90±2 km/s 和 Hobbs et al. 2005:98±11 km/s )。


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