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星际闪烁和散射

星际闪烁和散射. Pulsar Workshop, Beijing, 2013.8.21. 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 射 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. 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

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星际闪烁和散射

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Presentation Transcript


  1. 星际闪烁和散射 Pulsar Workshop, Beijing, 2013.8.21

  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、宇宙射线与星际磁场。 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 2013脉冲星暑期讲习班

  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。 脉冲星辐射被限制在很小的角径范围,近似点光源:星际闪烁。 2013脉冲星暑期讲习班

  4. 色 散∝ 脉冲星PSR B1933+16, DM:158.521(3) cm-3pc 2013脉冲星暑期讲习班

  5. 散射导致脉冲轮廓展宽∝ 2013脉冲星暑期讲习班

  6. 散 射 与 距 离 关 系 2013脉冲星暑期讲习班

  7. 散射导致脉冲轮廓展宽 2013脉冲星暑期讲习班

  8. 星际磁场引起的法拉第旋转量RM • For MSPs, there are little or no significant long-term variation in RM after ionosphericcorrection. • Significant Rotation Measure variations for Vela pulsar (Hamilton et al. 1985, MNRAS): Yan et al. 2011, Ap&SS 2013脉冲星暑期讲习班

  9. 星际闪烁 经过薄屏后信号的相位和幅度的变化 2013脉冲星暑期讲习班

  10. 星际闪烁 展宽角径 闪烁带宽 a: screen size 薄屏模型可以较好地符合大部分观测现象 2013脉冲星暑期讲习班

  11. 源的角径 S d D-d X=1: scattering screen midway between pulsar and observer Angular size θd: the Crab pulsar 100 milliarcs @ 100 MHz 2013脉冲星暑期讲习班

  12. 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。 • β=11/3:Kolmogorov谱 • 当β≥ 4 时,陡谱模型 ( Bandford & Narayan 1985 ) 2013脉冲星暑期讲习班

  13. 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 2013脉冲星暑期讲习班

  14. 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; 2013脉冲星暑期讲习班

  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。 2013脉冲星暑期讲习班

  16. 描述DISS动态谱(薄屏模型) DISS关于闪烁参数的理论模型 β<4 β>4 Kolmogorov谱 (β=11/3): 2013脉冲星暑期讲习班

  17. 脉冲星速度 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 曲线变化 忽略介质速度 2013脉冲星暑期讲习班

  18. Gupta (1994) S d D-d Thin screen: 2013脉冲星暑期讲习班

  19. Observable scintillation parameters =11/3: Kolmogorov fluctuation spectrum =4 2013脉冲星暑期讲习班

  20. scattering strength u=sF/sd : describe the scattering strength sFisthe Fresnel scaleat 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 2013脉冲星暑期讲习班

  21. Observable scintillation parameters 2013脉冲星暑期讲习班

  22. 流量变化和调制指数 2013脉冲星暑期讲习班

  23. 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) 2013脉冲星暑期讲习班

  24. Oral presentation at IAUC 182 Submitted to CJAA : △: Diffractive scintillation(DISS): short narrow Refractive scintillation(RISS): long wide 2013脉冲星暑期讲习班

  25. 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 B0329+54 PSR B1823+26 PSR B1929+10 PSR B2020+28 PSR B2021+51 闪烁研究 五颗脉冲星在1540 MHz的长期星际闪烁监测 Wang, N.; Manchester, R. N.; Johnston, S.; Rickett, Bet al.: 2005, MNRAS, 358, 270 2013脉冲星暑期讲习班

  26. PSR B0329+54的动态谱 • DM=26.8 pc cm-3 • D = 1.06 kpc • 3 hr 的观测 • 结果: • τd~10-30 min • Δνd~5-15 MHz 2013脉冲星暑期讲习班

  27. 二维自相关分析 二维自相关 特征时间和特征频率(拟合二维椭圆高斯方程:Bhat, Rao& Gupta 1999) 2013脉冲星暑期讲习班

  28. 闪烁二维动态谱 2013脉冲星暑期讲习班

  29. 二维自相关函数 2013脉冲星暑期讲习班

  30. 闪烁参数随时间的变化 2013脉冲星暑期讲习班

  31. Modelling ACFs for PSR B0329+54 • strong scattering • thin disk • Kolmogorov spectrum 2013脉冲星暑期讲习班

  32. 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 2013脉冲星暑期讲习班

  33. Modulation indices Observed > prediction !! 2013脉冲星暑期讲习班

  34. 二次谱 Secondary Spectra, Two dimensional FFT of dynamic spectrum Observing the structure of central image ! 2013脉冲星暑期讲习班

  35. 2013脉冲星暑期讲习班

  36. Kolmogorov Spectrum β=3.67 2013脉冲星暑期讲习班

  37. 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 2013脉冲星暑期讲习班

  38. Variations of Scintillation Parameters 2013脉冲星暑期讲习班

  39. 调制系数 对于Kolmogorov 谱,调制系数的理论值 2013脉冲星暑期讲习班

  40. 调制系数理论和观测的对比 2013脉冲星暑期讲习班

  41. 闪烁参数的互相关Cross correlation Wang, N.; Yan, Z.; Manchetser, R. N. et al.: 2008, MNRAS, accepted 2013脉冲星暑期讲习班

  42. 折射式衍射特征时间 Theory prediction: 2013脉冲星暑期讲习班

  43. 结构函数Structure Function 2013脉冲星暑期讲习班

  44. 衍射式星际闪烁的参量 2013脉冲星暑期讲习班

  45. 距离模型 TC93模型 (Taylor & Cordes 1993) NE2001模型 (Cordes & Lazio 2003 a,b) 2013脉冲星暑期讲习班

  46. 闪烁和自行速度的相关性 Harrison & Lyne 1993 Gupta 1995 2013脉冲星暑期讲习班

  47. 脉冲星速度周年变化 2013脉冲星暑期讲习班

  48. 脉冲星速度计算 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 2013脉冲星暑期讲习班

  49. 散射屏的位置 Putney & Stinebring 2006 2013脉冲星暑期讲习班

  50. 脉冲星闪烁速度 Gupta 1995 Bogdanov et al. 2002 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。 2013脉冲星暑期讲习班

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