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星际闪烁和散射

星际闪烁和散射. 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. 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。

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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

  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. 色 散 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  5. 散射 导致脉冲轮廓展宽 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  6. 散射 导致脉冲轮廓展宽 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  7. 星际磁场引起的法拉第旋转旋转量RM

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

  9. 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 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  10. Apparent source diameters S d D－d 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. 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) Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  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 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. 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)： 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 曲线变化 忽略介质速度

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

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

  20. 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

  21. Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  22. 流量变化和调制指数 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  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) Pulsar Workshop, 2009, Beijng

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

  25. 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 B0329+54 PSR B1823+26 PSR B1929+10 PSR B2020+28 PSR B2021+51 闪烁研究 Wang, N.; Manchester, R. N.; Johnston, S.; Rickett, Bet al.: 2005, MNRAS, 358, 270 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  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： • Δtd～10-30 min • Δνd ～5-15 MHz 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. 闪烁二维动态谱 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  29. 二维自相关函数 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  30. Pulsar Workshop, 2009, Beijng

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

  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 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

  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. TC93模型 Taylor & Cordes 1993 NE2001模型 Cordes & Lazio 2003 a,b Pulsar Workshop, 2009, Beijng

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

  47. Putney & Stinebring 2006 Pulsar Workshop, 2009, Beijng

  48. 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

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