Поиск радиотуманностей у пульсаров PSR j0358+5413, PSR j1809-1917 и PSR b1800-21

-

АСТРОФИЗИКА

УДК 520:524.354.4

А.Е. Яблокова, A.M. Быков, О.Ю. Каргальцев, Г.Г. Павлов

ПОИСК РАДИОТУМАННОСТЕЙ У ПУЛЬСАРОВ PSRJ0358+ 5413, PSRJ1809- 191 7 И PSRB1800-21

Пульсарные туманности образуются при взаимодействии релятивистского пульсарного ветра с окружающей средой. Наблюдения этих объектов позволяют исследовать свойства ветра и механизмы его взаимодействия с межзвездным газом. Они также важны для понимания происхождения галактических космических лучей (ГКЛ). Особенно необходимо рассматривать ситуации, когда пульсарная туманность видна в нескольких областях электромагнитного спектра, например в радио- и рентгеновском диапазонах. В этих случаях, применяя формулы синхротронного излучения, удается восстановить спектр энергии релятивистских электронов в широком диапазоне и более точно оценить магнитное поле в пульсарном ветре.

В данной работе мы представляем результаты поиска пульсарных туманностей в радиодиапазоне в окрестностях молодых пульсаров PSR J0358 + 5413, PSRJ1809- 1917, PSRB1800-21. Туманности в рентгеновском диапазоне были детектированы у каждого из этих пульсаров. Радиоинтерферометрические наблюдения указанных объектов проводились системой радиотелескопов VLA (Very Large Array) в штате Нью-Мексико, США. Данные наблюдений обрабатывались с помощью пакетов CASA (Common Astronomy Software Applications package) и AI PS (Astronomical Image Processing System). Мы детектировали пульсары PSR J0358 + 5413 и PSR В1800 — 21 и обнаружили протяженные источники в окрестностях PSR J1809 — 1917 hPSRB1800 — 21. Для понимания природы этих источников необходимы дальнейшие радиоинтерферометрические наблюдения.

Результаты обработки данных радионаблюдений источника PSR J0358 + 5413

Рентгеновские наблюдения пульсара J0358 + + 5413 (период /> = 156 мс, возрастх = 564 тыс. лет, скорость потерь вращательной энергии Е = 4,5 • Ю34 эрг/с) на орбитальных обсерваториях Chandra и XMM-Newton показали наличие пульсарной туманности сложной формы. Туманность состоит из компактной компоненты размером 50" и протяженной компоненты размером до5' [1]. Мы использовали архивные данные проекта АК0688 для получения изображения пульсара и его окрестности в радиодиапазоне. Наблюдения проходили на системе VLA (конфигурация С) 5 апреля 2008 года в L-диапазоне (20 см, 1,4 ГГц, ширина полосы 21,875 МГц). Ширина главного лепестка диаграммы направленности при таких параметрах наблюдениях "

таны с помощью пакета для обработки данных радионаблюдений CASA. Изображение пульсара и его окрестности (12,0'х1,5') приведено на рис. 1. Пульсар уверенно детектирован, его поток составляет 12,3 + 3,6 мЯн. Туманность в окрестности пульсара детектировать не удалось. Верхний предел для яркости составляет примерно 2 мЯн/ПП, где ПП — площадь синтезированного пучка (основного лепестка диаграммы направленности). При этом удалось обнаружить источник радиоизлучения с координатами RA. = 03:58:39,5; DEC = 54:12:37,7 и потоком около 13,5 + 3,9 мЯн. Этот источник отсутствует в базах SIM BAD Astronomical Database и NED (NASA/I PAC Extragalactic Database).

-0 0002 0 0017 0 0035 0 0054 0 0073 0 0002 0 0111 0 0130 0 0140

Яркость, мЯн/ПП

Рис. 1. Изображение окрестности пульсара PSR J0358 + 5413 (построено с помощью пакета CASA); предельные уровни яркости: максимальный 16,7 мЯн/ПП, минимальный — 2,1 мЯн/ПП.

При наблюдении на системе VLA в конфигурации С синтезированный пучок имеет сферическую форму

Те же наблюдения были обработаны с помощью пакета для обработки данных радионаблюдений AIPS. Построенные изображения пульсара и его окрестности совпали с результатами, полученными с помощью пакета CASA. Поток от пульсара, согласно обработке с помощью AI PS, составляет 16,8 + 6,1 мЯн. Яркий источнике координатами R.A. = 03:58:39,5; DEC = 54:12:37,7 виден также и на изображениях, полученных с помощью AIPS. Поток от него составил 18,8 +6,3 мЯн.

Результаты обработки данных радионаблюдений источников PSR J1809 - 1917 и PSR В1800 - 21

В течение последних нескольких лет наблюдения на обсерватории H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) позволили получить информацию о многих высокоэнергичных (ТэВ) гамма-источниках. Изучение подобных источников важно для понимания процессов происхождения ГКЛ. О.Ю. Каргальцев и его соавторы [3] показали, что в окрестности ряда высокоэнергичных гамма-источников на расстоянии 10'—15' от центра области ТэВ-излучения расположены молодые пульсары. К 2009 году было известно около 15 таких пульсаров. Примерами являются HESS J1809- 193 с пульсаром PSRJ1809- 1917 и HESS J1804 - 216 с пульсаром PS R В1800 - 21. Рентгеновские пульсарные туманности в окрестностях

PSRJ1809 - 1917 и PSR В1800—21 были обнаружены О.Ю. Каргальцевым, Г.Г. Павловым и др. [4, 5]. Наблюдения указанных пульсаров и их окрестностей с помощью системы VLA проводились 10—11 октября 2009 года (проект АК0713) в гибридной конфигурации DnC в С-диапазоне (6,2 см; 4,8 ГГц; ширина полосы 21,175 МГц). Обработка данных была осуществлена с помощью пакетов CASA и AI PS.

Пульсар PSR J1809 - 1917. На рис. 2 приведено изображение окрестности источника HESS J1809 — 193 [6]. Источник НESS J1809 - 193 был классифицирован как реликтовая пульсарная туманность, наличие которой обусловлено потоком электронов от пульсара возрастом 50 тыс. лет, расположенного на расстоянии 10 тыс. световых лет от Земли. Пульсар PSR J1809 — 1917 (/• = 83 мс, т = 51 тыс. лет, É = 1,8-1036 эрг/с) проецируется на этот источник.

Изображение (1,30'х0,16') окрестности пульсара PSR J1809 - 1917 приведено на рис. 3. Верхний предел для яркости составляет примерно 1,3 мЯн/ПП. Сам пульсар здесь не виден, однако видна протяженная структура, наиболее яркие области которой обладают потоком около 2 мЯн.

На рис. 4 приведено изображение более широкой окрестности пульсара PSR J1809 - 1917 (5,00'х0,75'). Протяженная структура, которая

Рис. 2. Изображения окрестности источников HESS J1809 - 193

Рис. 3 Изображение окрестности пульсара Р5Я Л 809 — 1917

18:10:00.0 55.0 50.0 45.0 40.0 35.0 00:30.0 25.0

Прямое восхождение

-0 0027 -0 0012 0 0004 0 0010 0 0035 0 0050 0 0005 0 0001 0 0000

Яркость, мЯн/ПП

Рис. 4. Расширенное изображение окрестности пульсара PSR J1809 — 1917 (построено с помощью пакета CASA). В черном квадрате — область, приведенная на рис. 3.

Предельные уровни яркости: максимальный 11,2 мЯн/ПП, минимальный — 4,2 мЯн/ПП

была детектирована (см. рис. 3), видна и на этом рисунке. Поток от самых ярких областей структуры также находится в пределах 2 мЯн.

Обработка данных была также осуществлена с помощью пакета А1Р8. На итоговых изображениях сам пульсар Р8Л Л809 - 1917 не виден, но также отчетливо видна протяженная структура, конфигурация которой совпадает с приведенной на рис. 3.

На рис. 5 приведены изображения окрестности пульсара, основанные на наблюдениях в L-диапазоне системой VLA (проект MAGPIS — The Multi-Array Galactic Plane Imaging Survey). Изображения построены с помощью программы DS9. В области пульсара имеется некоторый избыток яркости; его удалось обнаружить благодаря масштабированию изображения по потоку в программе DS9.

Яркость, мЯн/ПП

Рис. 5. Изображения окрестности источников HESS J1809 — 193 (а) и PSR J1809 — 1917 (б) в данных MAGP1S (получены с помощью программы DS9 с использованием функции масштабирования по потоку); б — увеличенное изображение (размер 0,9') области, приведенной на рис. а. Внутри черного квадрата (б) и белого круга (а) находятся пульсар PSR J1809 — 1917 и его окрестность соответственно

Существует критерий, с помощью которого можно определить, является ли избытокяркости на изображении значимым (реально существующим), обусловленным наличием источника излучения (например пульсара), или же он является артефактом (т. е. следствием недостаточной очистки изображения от фоновых шумов) или случайной флуктуацией. Для того, чтобы считать предполагаемый источник излучения значимым, необходимо выполнение следующего условия:

Bsrc~Bbg^-Vbg>

где Bsrc — средняя яркость в области с источником; Bbg, abg — средняя яркость и дисперсия яркости в области без видимых источников (т. е. для фона).

Для изображения на рис. 5 указанный критерий был проверен:

Bsrc - 3,20 мЯн, Bbg - 0,40 мЯн, abg -0,84мЯн.

Bsrc-Bbg -2,80>3abg -2,52.

В результате такого анализа был сделан вывод о том, что избыток в области пульсара (отмечен черным контуром в правой части рис. 5) является статистически значимым на уровне 3,3а.

Вероятной причиной, по которой нам не удалось увидеть пульсар при обработке в пакетах CASA и AI PS (несмотря на то, что чувствительность нового наблюдения примерно в 100 раз выше, чем в наблюдениях MAGPIS), может являться повреждение данных в процессе наблюдений. Согласно log-файлам проекта АК0713, имело место затенение источника, который наблюдался низко над горизонтом (некоторые антенны блокируют наблюдение источника другими антеннами массива).

Следует отметить, что в рамках указанного проекта наблюдения источников проводились также и в L-диапазоне (20 см; 1,5 ГГц; ширина полосы 3,125 МГц). Для этих наблюдений система VLA находилась в конфигурации С и ширина главного лепестка диаграммы направленности составляла 3,9" [2]. Однако и в этом случае имеется затенение источника, а также другие повреждения ряда данных, поэтому на данном этапе произвести анализ наблюдений в L-диапазоне не представляется возможным.

На основе данных, приведенных на рис. 3,4, можно сделать вывод о том, что сам пульсар PSR J1809 - 1917 не виден на изображениях, построенных с помощью пакетов CASA и AI PS. Одна протяженная структура в его окрестности видна отчетливо; при этом конфигурация структуры не зависит от метода (пакета) обработки данных.

Пульсар PSR В1800 - 21. Этот пульсар (Р = = 134 мс; т = 16 тыс. лет; É = 2,2-1036 эрг/с) расположен в окрестности источника HESS J1804 — 216. Наблюдения пульсара PSR В1800 - 21 так же, как и источника PSR J1809—1917, проводились в различных диапазонах с помощью различных инструментов (рис. 6) [7].

Изображение (8,0'х1,5') пульсара PSRB1800 — 21 и его окрестности приведено на рис. 7. Верхний предел для яркости составляет примерно 0,5 мЯн/ПП. Поток от источника составляет 0,240 ± 0,135 мЯн. К востоку и северо-востоку от пульсара имеются области со значительным радиоизлучением (поток от самой яркой части указанной области составляет 1,17 ± 0,05 мЯн). Нельзя исключить, что это излучение испускается пульсарной туманностью. Для проверки этой гипотезы необходимы дополнительные наблюдения в различных диапазонах для определения спектров излучения от указанных областей.

Итак, с помощью пакетов CASA и AI PS был проведен анализ радиоинтерферометрическихдан-ных о пульсарах PSR J0358 + 5413, PSR J1809-1917 и PSR В1800—21 с целью получения карт радиоизлучения источников и поиска туманностей в их окрестности. Пульсар PSRJ0358 + 5413 был детектирован (поток равен 12,3 + 3,6 мЯн), но туманность вблизи источника не была обнаружена. Был также детектирован пульсар PSR В1800—21 с потоком 0,240 + 0,135 мЯн. Туманность в непосредственной близости от источника не была обнаружена, но к северо-востоку от него были найдены зоны с интенсивным радиоизлучением, для выяснения природы которых необходимо произвести дополнительные многоканальные наблюдения. Пульсар PSR J1809 + 1917 не был детектирован, но на изображениях в окрестности пульсара видна протяженная структура, происхождение которой остается неопределенным.

Чтобы понять природу протяженных источников в окрестности пульсаров PSR J1809 — 1917

ö)

- и

H.E.S.S. 0.25-30 ТэВ -

VLA1.46 ГГц

HISS LS04-2ie

12"

-12 ПК

р

Рис. 6. Изображения окрестностей источников HESS J1804 — 216

и PSR В1800 — 21

Рис. 7. Изображение окрестности пульсара PSR В1800 — 21

и Р8 Я В1800 — 21, необходимы дальнейшие многоканальные наблюдения этих объектов на системе ЕУЬА. Кроме того, желательно произвести обработку данных проекта АК0713 в Ь-диапазо-не, предварительно отредактировав эти данные. После анализа данных новых наблюдений необ-

ходимо сопоставить карты излучения источников в различных диапазонах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (договор 11.G34.31.0001 с СПбГПУ и ведущим ученым Г.Г. Павловым).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. McGowan, К.Е. Probing the pulsar wind nebula of PSR B0355 + 54 |Текст| / К.Е. McGowan, W.T. Vestrand, J.A. Kennea |et al.| // The Astrophysical Journal. 2006,- № 647,- P. 1300-1308.

2. Chandler, C. Performance of the VEA. Resolution [Электронный ресурс]. URE: http://www.vla.nrao. edu/astro/guides/vlas/current/nodelO. html Дата обращения: 05.07.2011 г.

3. Kargaltsev, О. The field of the TeV source HESS J1804-216 in X-rays and other wavelengths [Текст] / О. Kargaltsev, G.G. Pavlov, G.P. Garmire // The Astro-physical Journal- 2007. - № 670. - P. 643-654.

4. Kargaltsev, O. X-Ray emission from PSR J1809— 1917 and its pulsar wind nebula, possibly associated with the TeV gamma-ray source HESS J1809-193 |Текст| / O. Kargaltsev, G.G. Pavlov// The Astro-physical Journal.- 2007. - № 670. - P. 655-667.

5. Kargaltsev, O. X-Ray emission from PSR В1800— 21, its wind nebula, and similar systems [Текст] / О. Kargaltsev, G.G. Pavlov// The Astrophysical Journal.- 2007,- № 660,- P.1413—1423.

6. Renaud, M. Pulsar wind nebula candidates recently discovered by H.E.S.S [Текст] / M. Renaud, S. Hoppe, N. Komin [et al.| // Proceedings of «4th Heidelberg International Symposium on High Energy Gamma-Ray Astronomy 2008». - 2008. - P. 1-31."

7. HESS J1804-216 - Supernova remnant or pulsar wind nebula [Электронный ресурс]. URE: http:// www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/pages/home/som/ 2006/09/. Дата обращения: 05.07.2011 г.

8. Ott, J. CASA synthesis and single dish reduction reference manual and cookbook [Электронный ресурс] / J. Ott, J. Kern.— National Radio Astronomy Observatory, 2011. — 601 p.