Dispersion Measure Variations Predict Lensing in Pulsars

As radio signals from a pulsar travel to the observer on Earth, they encounter electron plasma. This plasma delays the signals in a frequency-dependent manner, which can be characterized by the dispersion measure (DM), a fundamental observable in pulsar astronomy. This quantity, which is a measure of the total electron content between the pulsar and source, is expected to change as the pulsar moves. Since the refractive index of the medium is related to electron density, a changing DM is expected to be correlated with lensing effects such as a change in magnification or multiple imaging. In this thesis, we show that such expectations are indeed valid, and show how they can be used to study structures in the interstellar medium (ISM) or the environment of a pulsar. We develop techniques developed based on standard lensing formalism and apply them to PSR J1713+0747, PSR J2051–0827, and PSR B1957+20. In PSR J1713+0747, we show that the multiple DM dip events, if they are indeed due to line of sight crossing a lower electron density region, must create a second, bright image. We find that the dips in DM are consistent with the projected profile of an underdense current sheet, and find unexpected transient pulse profile changes during the events. In the Black Widow pulsars PSR J2051–0827 and PSR B1957+20, we discover the existence of an apparently weak lensing regime in the two pulsars and show that this regime transitions to a strong lensing regime in PSR B1957+20. We show, for the first time, that the second derivative of variations in DM can predict observed flux density variations in the apparently weak regime. We use this correlation to directly measure the velocity of the lensing material, projected onto the plane of the sky. The techniques developed in this thesis can be applied to improve pulsar timing by predicting and mitigating certain propagation effects. The discovery of lensing regime transitions in PSR B1957+20 offers a valuable testing ground for theoretical developments in lensing. Alors que les signaux radio d'un pulsar parviennent à l'observateur sur Terre, ils rencontrent un plasma d'électrons. Ce plasma retarde les signaux en fonction de la fréquence, ce qui peut être caractérisé par la mesure de dispersion (DM), une observable fondamentale en astronomie des pulsars. Cette quantité, qui est une mesure de la teneur totale en électrons entre le pulsar et la source, devrait changer à mesure que le pulsar se déplace. Comme l'indice de réfraction du milieu est lié à la densité électronique, un changement de DM devrait être corrélé avec des effets lentille tels qu'un changement de grossissement ou une imagerie multiple. Dans cette thèse, nous montrons que de telles attentes sont en effet valables et montrons comment elles peuvent être utilisées pour étudier les structures du milieu interstellaire (ISM) ou l'environnement d'un pulsar. Nous développons des techniques basées sur le formalisme standard en optique et les appliquons à PSR J1713+0747, PSR J2051–0827 et PSR B1957+20. Dans PSR J1713+0747, nous montrons que les multiples événements de descentes en DM, s'ils sont effectivement dus à la traversée de la ligne de visée d'une région à faible densité électronique, doivent créer une deuxième image apparente. Nous constatons que les baisses de DM sont cohérentes avec le profil projeté d'une feuille de courant sous-dense et trouvons des changements transitoires inattendus du profil d'impulsion pendant les événements. Dans les pulsars du type veuve noire PSR J2051–0827 et PSR B1957+20, nous découvrons l'existence d'un régime de lentille apparemment faible dans les deux pulsars et montrons que ce régime passe à un régime de lentille forte dans PSR B1957+20. Nous montrons, pour la première fois, que la dérivée seconde des variations de DM peut prédire les variations de densité de flux observées dans le régime apparemment faible. Nous utilisons cette corrélation pour mesurer directement la vitesse du matériau de lentille, projetée sur le plan du ciel. Les techniques développées dans cette thèse peuvent être appliquées pour améliorer la synchronisation des pulsars en prédisant et en atténuant certains effets de propagation. La découverte de transitions de régime de lentille dans PSR B1957+20 offre un terrain d'essai précieux pour les développements théoriques en optique.

Keywords: dispersion measure
interstellar medium
plasma lensing
pulsars
Advisor: Pen, Ue-Li