PSR J0835-4510單脈沖的觀測研究*

閆世釗 趙成仕 李袆豐 王性川 羅近濤

(1 中國科學院國家授時中心 西安 710600)(2 中國科學院大學 北京 100049)(3 中國科學院時間頻率基準重點實驗室 西安 710600)(4 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室 西安 710600)

1 引言

脈沖星是快速旋轉中子星,具有極強的磁場,以單個脈沖形式輻射周期性信號,被科學家認為是20世紀60年代天文學的四大發現之一.它具有極端物理環境并表現出不同于大多數恒星的物理性質,很快成為了科學家研究的理想候選體.目前,脈沖星的觀測研究主要集中在脈沖星巡天、脈沖輻射強度和偏振、脈沖到達時間等[1].通過對脈沖星積分輪廓和單脈沖研究可以更深入地了解脈沖星的輻射機制.脈沖星積分輪廓十分穩定,能夠反映出脈沖星輻射區的幾何結構和輻射強度.但對于脈沖星輻射的單個脈沖而言,其輪廓結構、輻射強度以及偏振特性等隨時間變化很大,短時標內沒有規律可循.單脈沖可以具體反映出脈沖星的輻射特征,具有很高的研究意義.隨著觀測采樣率的提高,單脈沖會呈現出更加精細的結構,如子脈沖和微脈沖結構等[2].部分脈沖星偶爾輻射的單脈沖信號其流量密度比平均脈沖流量密度大幾十倍、上百倍甚至上千倍,通常稱這些單脈沖為巨脈沖.巨脈沖比普通單脈沖更窄,持續時間從納秒到微秒不等.最初,巨脈沖現象僅從Crab[3]和PSR B1937+21脈沖星[4]中探測到.

脈沖星PSR J0835-4510(又稱為Vela)是離我們最近、最亮的脈沖星之一,是中小型射電望遠鏡進行脈沖星研究的優選對象[5].Vela脈沖星周期是89.3 ms,具有極高的線偏振,沒有消零脈沖現象[6].Johnston等人于2001年研究發現Vela脈沖星的巨型微脈沖相位在主脈沖峰值相位之前出現,并指出Vela脈沖星單脈沖的流量密度服從對數正態分布[5].Dodson等人于2003年研究分析Vela輻射的大于5倍平均脈沖信噪比的亮脈沖信號[6].目前對Vela脈沖星的觀測數據中還沒發現與Crab脈沖星一樣的巨脈沖.單脈沖觀測對天線靈敏度、電磁環境等要求高,目前只有部分輻射流量強的脈沖星能夠探測到單脈沖.Vela脈沖星自轉突變(Glitch)現象發生頻繁.Glitch發生時脈沖星自轉頻率突然增加,這是一種極少見的、不可預測行為,并且不同的脈沖星之間會有很大的不同[7].根據Palfreyman等人于2016年研究,在Vela脈沖星Glitch發生期間,積分脈沖輪廓會發生變化[8].Krishnamohan等人于1983年提出Vela脈沖星的積分輪廓由4個成分組成,并且指出強脈沖提前于平均脈沖峰值相位到達[9].Feng等人于2021年研究發現強脈沖比平均脈沖輪廓窄,持續時間從納秒到微秒之間,能量分布遵循冪律[10].Chen等人于2020年詳細討論了在觀測波段6800 MHz下Vela輻射的單脈沖峰值流量密度大于2.5 Jy的巨微脈沖輻射特性[11].

本文利用中科院國家授時中心昊平40 m射電望遠鏡在1400 MHz頻段下對Vela脈沖星開展單脈沖觀測研究,主要分析了脈沖星信號輻射強度、脈沖半峰線寬分布、輻射能量分布以及強脈沖輻射特性和雙峰單脈沖信號特征等.本文具體結構安排如下:第2節介紹了昊平40 m天線Vela脈沖星觀測數據情況,第3節介紹了觀測數據處理過程,第4節詳細分析討論了Vela輻射的單脈沖、強脈沖、雙峰單脈沖輻射特性,第5節為論文研究總結.

2 觀測

昊平40 m射電望遠鏡于2014年建成,天線為卡塞格林系統,裝配有L波段和S波段接收機.于2015年底利用現有L波段觀測系統平臺,配置基于ROACH2(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware)的脈沖星消色散終端,初步建成脈沖星觀測系統,系統同時具備搜尋和計時模式觀測能力,觀測頻段為1.1–1.75 GHz,終端數據采樣為8 bit,數據文件記錄格式為標準PSRFITS(Pulsar Flexible Image Transport System)[12].由于L波段接收機為右旋單極化接收系統,因此脈沖星觀測也只具備右旋觀測能力.昊平40 m觀測站周圍電磁環境良好,適合開展單脈沖觀測研究.2017年10月26日利用該系統對Vela脈沖星進行了56 min的搜尋模式觀測,采用的終端配置為1024通道,觀測時間分辨率為10.24 μs.

射電望遠鏡觀測靈敏度計算公式如下[13–14]:

其中,RSN是最低探測信噪比;β是量化損失因子;κ為玻爾茲曼常數;Trec是接收機噪聲溫度,Tsky是天空背景溫度;η是天線效率;A是天線面積;np是天線極化數,τ是采樣間隔;Δf是觀測時采用的有效帶寬.昊平觀測站L波段觀測系統對應的各個參數值分別為:β≈1(8位采樣量化),Trec+Tsky≈100 K,η≈70%,A=1256.0 m2,np為1,利用512 bins對Vela脈沖星原始文本數據重采樣,其對應的采樣時間為0.174 ms.Δf=650 MHz,通過上式可知,RSN=5時,昊平40 m望遠鏡系統最小可探測的脈沖星流量為5.9 Jy;本次探測到的單脈沖信噪比平均值為32.4,本文中的強單脈沖定義為大于5倍單脈沖S/N平均值的單脈沖,即信噪比S/N=162的單脈沖.由(1)式可以計算出,強單脈沖對應最小流量值約為193.1 Jy.

圖1是Vela觀測數據中2 s觀測時長的單脈沖觀測數據,包括23個完整的脈沖周期,橫坐標是時間(Time,單位為s),縱坐標是單脈沖流量(為任意單位a.u.),從圖中可以看出,本次觀測受無線電干擾影響較小,信號質量很高,適合用于脈沖星觀測研究.

圖1 在1400 MHz上觀測Vela脈沖星獲得的2 s單脈沖記錄Fig.1 Single pulse record of 2 s obtained by observing Vela pulsar at 1400 MHz

3 數據處理

脈沖星輻射的信號極其微弱,需要增大觀測帶寬來提高觀測系統靈敏度.但脈沖星信號在星際空間傳播過程中,受到星際介質色散的影響,造成接收到的高頻信號先于低頻信號到達.色散效應會使觀測到的脈沖信號展寬,甚至完全消失,需要進行處理以消除色散對觀測輪廓信號的影響.

對于兩個中心頻率分別是ν1和ν2的輻射的脈沖星信號,高頻信號ν1會先到達地球,低頻信號ν2后到達.兩者到達地球所需時間之差為:

其中,Δτ是單通道色散時間延遲,單位是s;Bi是單通道頻帶寬度,單位是MHz;ν是接收機中心頻率,單位是MHz.昊平40 m采用的是數據化多通道消色散系統,接收機中心頻率為1400 MHz,通道數為1024,單通道的頻帶寬度是1 MHz,單個子通道內的色散時間延遲為0.16 ms.本次觀測得到的Vela脈沖星積分脈沖輪廓W50(half-maximum line width)為1.9 ms,子通道內時延對積分脈沖輪廓影響不大.

利用昊平40 m天線2016–2017年近一年的Vela脈沖星計時觀測數據,擬合獲得適用于本次Vela單脈沖觀測數據處理的最佳星歷表,參數值見表1,其中,RAJ是J2000坐標系下的赤經,DECJ是J2000坐標系下的赤緯,P0是脈沖星周期.基于星歷表利用DSPSR(Digital Signal Processing Software for Pulsar)[15]軟件的單脈沖數據處理模式,獲得單脈沖數據文件.另外為了提高信號的信噪比,數據處理時,周期相位采樣點設置為512.

表1 脈沖星J0835-4510主要參數Table 1 Main parameters of pulsar J0835-4510

為了提高數據的質量,在后續數據處理中,對所有數據統一去除觀測頻段的邊帶通道,以統一消除邊帶干擾影響.如圖2為本次觀測中的其中2個單脈沖信號,左圖為雙峰結構單脈沖信號,右圖為強單脈沖信號,上方圖中黑色實線表示單脈沖輪廓,黑色虛線表示Vela積分脈沖輪廓,縱坐標是歸一化后的流量強度,橫坐標是脈沖相位.下方圖是去除帶寬邊帶通道數據和強頻率通道干擾后,未做消色散處理的脈沖星信號頻譜圖,縱坐標是觀測頻率,橫坐標是脈沖相位.從圖中可以看到,由于星際介質的影響,高頻信號先于低頻信號到達.左圖中單脈沖為雙峰結構,其中一個脈沖峰值成分在積分脈沖輪廓峰值相位左側,處于輻射窗口的前沿區域;另一個脈沖峰值成分在積分脈沖輪廓的峰值相位附近.右圖單脈沖只有一個脈沖成分,其峰值相位是282°,提前積分脈沖峰值相位0.5 ms到達,W50是0.7 ms,相比于積分脈沖輪廓該單脈沖寬度更窄,大約是積分脈沖寬度的1/3.S/N是433.4,為單脈沖S/N平均值的13.4倍;該單脈沖的峰值相位在脈沖星輻射窗口范圍內,說明它是從視線掃過的輻射區域發出的.這兩個單脈沖可能來自脈沖星的不同輻射區域.

圖2 兩個單脈沖的脈沖輪廓與頻譜.上圖是脈沖輪廓,其中黑色虛線輪廓表示本次觀測所得的Vela積分脈沖輪廓,黑色實線表示本次觀測獲得的2個單脈沖信號;下圖是兩個單脈沖的頻譜.Fig.2 The pulse profiles and spectra of the two single pulses.Upper panels are the pulse profiles,where the dotted line profile represents the Vela integral pulse profile obtained by this observation,and the solid line represents the two single pulse signals obtained by this observation;lower panels are the spectra of the two single pulses.

4 結果和分析

為研究Vela脈沖星的單脈沖輻射特性,利用本次觀測獲得的單脈沖數據對單脈沖信號進行輻射強度、脈沖半寬特性、輻射能量分布以及強單脈沖和雙峰結構單脈沖等方面開展研究.

4.1 單脈沖統計分析

單脈沖信噪比能夠間接反映觀測數據的質量與脈沖信號的輻射強度.本文利用信噪比來分析Vela脈沖星單脈沖輻射特性,數據處理時采用單脈沖的主脈沖峰值流量密度來定義單脈沖的S/N.具體計算方法為:

其中maxon-pulse表示脈沖星信號的主脈沖峰值流量最大值,meanoff-pulse表示噪聲區域的平均值,σoff-pulse表示噪聲的標準差.通過對觀測數據處理獲得的單脈沖信噪比在6.8–495之間,平均值為32.4.Vela脈沖星不同輻射區單脈沖的爆發特性,與單脈沖的爆發相位和爆發強度有關,采用單脈沖主脈沖峰值相位作為統計脈沖爆發的參考點.圖3為本次探測的單脈沖S/N-相位分布情況,圖(I)中豎直虛線表示Vela積分脈沖輪廓的峰值相位點284°,兩條水平虛線分別表示5倍和10倍單脈沖S/N平均值分割線,從圖中可以看出S/N大于5倍平均值的單脈沖信號,其峰值相位全部分布在積分輪廓峰值相位的左側.Palfreyman等[8]提出Vela脈沖星的積分脈沖輪廓有4個成分組成:a區是亮脈沖輻射區(bright pulse emission zone);b區是主脈沖區(large main peak);c區是平緩的拐點區(gentle point of inflection);d區是尾隨區(“ledge”to the right),如圖3中的圖(II)所示.

圖3 單脈沖S/N-相位分布情況(圖(I))和Vela積分脈沖輪廓圖(圖(II)).圖中豎直虛線表示積分脈沖輪廓的峰值相位點286°,水平虛線表示5倍的單脈沖S/N平均值分割線和10倍的積分脈沖S/N值分割線.Fig.3 S/N-phase distribution of single pulse(panel(I))and the Vela integral pulse profile(panel(II)).In the figure,the vertical dotted line represents the peak phase point of the integral pulse profile at 286 degrees,and the horizontal dashed lines represent the 5 times single pulse S/N divider and the 10 times integral pulse S/N divider.

本次觀測探測到的所有單脈沖均在脈沖星輻射窗口的4個區域內,其中在a區域探測到1個單脈沖信號,脈沖爆發率為1次/56 min.Chen等[11]在6800 MH觀測頻率下4 h探測到的9個,爆發率為1次/26.6 min,大于本次觀測a區爆發率.本次探測到的這個單脈沖的峰值相位是275°,信噪比是47.4.提前積分脈沖輪廓峰值相位到達時間最大為2.3 ms,這與Johnston等[16]在1413 MHz頻率下得到的Vela脈沖的單脈沖最早提前積分脈沖輪廓峰值相位2.2 ms接近.在d區域探測一個峰值相位延遲于積分輪廓峰值相位3.6 ms的單脈沖信號,該單脈沖是一個雙峰結構單脈沖,本文中雙峰結構單脈沖爆發相位采用信噪比較高的脈沖峰值相位作為參考.該雙峰結構單脈沖信號相位靠后的脈沖峰值信噪比略高(S/N～9),因此統計圖中,該點的相位分布略靠后.約58%的單脈沖相位分布在a區域內和b區域的前沿,這部分單脈沖峰值相位到達時間比積分脈沖峰值相位到達時間提前.約97%的單脈沖分布在b區域內,表明本次探測到的絕大部分單脈沖的峰值相位分布在積分脈沖輪廓的主脈沖區域內.

脈沖星輻射的單脈沖半寬能夠反映其輻射點的大小,通過對單脈沖信號半寬的研究,可進一步了解脈沖星的輻射特性,本文中采用脈沖W50來分析Vela脈沖星的單脈沖半寬特性,利用單脈沖的峰值流量密度與噪聲均值作為計算W50的基準參考點.其中,峰值流量密度與噪聲均值采用的值與計算單脈沖S/N時的值一致.通過分析得到本次觀測的全部單脈沖W50值的范圍為0.52–3.3 ms,平均值為1.5 ms,Vela積分脈沖輪廓的W50是1.9 ms,單脈沖W50的平均值比積分脈沖輪廓的W50略窄.比Johnston等[16]在1.4 GHz觀測頻率得到的1.4 ms略寬,比Chen等[11]在6800 MHz觀測頻率得到的2.62 ms略窄.圖4給出了本次觀測中探測到的單脈沖W50分布情況,圖中虛線表示積分脈沖輪廓的W50值.可以看出大部分(約91%)單脈沖的寬度比積分脈沖輪廓的寬度窄.在虛線右側,隨著脈沖寬度的增加單脈沖輻射數量迅速減少.這部分單脈沖W50分布在1.9–3.3 ms之間,W50分布的中位數是1.93 ms;峰值輻射相位分布處于輻射區域的b、c、d區域之間.

圖4 38040個單脈沖W50分布情況,其中虛線表示平均脈沖輪廓的W50值.Fig.4 The distribution of W50 of 38040 pulses,where the dotted line represents the W50 of the average pulse profile

利用單脈沖輻射區域的積分面積表示單脈沖的相對輻射能量(為任意單位a.u.),其分布范圍為4.8–132.利用單脈沖的能量平均值(＜E＞)歸一化每一個單脈沖的能量(E).使用對數正態曲線(Lognormal)擬合了單脈沖的能量累積分布,對數正態分布方程為:

其中的E是單脈沖的能量,A、μ和σ分別是對數正態分布的幅度值、均值和方差.圖5是38040個單脈沖能量累積統計分布圖.目前研究表明,普通脈沖星單脈沖能量累積分布符合對數正態分布,一些脈沖星輻射的巨脈沖信號能量累積服從冪律分布.圖中實線為Vela單脈沖能量累積分布擬合曲線,擬合參數值為μ=-0.02,σ=0.28,擬合曲線與擬合參數值的對數正態分布曲線的JS散度(Jensen-Shannon divergence)為0.06.從圖5上看擬合曲線與輻射能量累積分布符合較好,但是利用Kolmogorov-Smirnov test(KS)檢驗無法通過,可能由于本文采用的單脈沖數據樣本相對較少,另外,由于Vela脈沖星爆發較多強脈沖,導致其能量累積分布與用于統計普通脈沖星單脈沖能量累積分布的對數正態分布有一些偏離.虛線指示了歸一化后的平均脈沖輪廓的能量值.本次探測中超過46%的單脈沖能量大于平均脈沖輪廓能量,超過9.5%的單脈沖能量大于2倍的單脈沖能量平均值,探測到5個能量大于5倍單脈沖能量平均值的單脈沖,沒有探測到能量大于10倍單脈沖能量平均值的單脈沖.本次觀測到的單脈沖能量大部分小于2倍平均脈沖輪廓能量,沒有發現與Crab脈沖星相似的巨脈沖現象.探測到的單脈沖信噪比的最小值是6.8,單脈沖的能量最小值是4.8,沒有在本此觀測中發現Vela脈沖星的消零單脈沖現象.

圖5 單脈沖能量分布圖.用積分脈沖輪廓能量對單脈沖能量進行了歸一化.實線是擬合脈沖星能量直方圖的對數正態曲線,虛線指示了歸一化的平均脈沖輪廓能量值.Fig.5 The distribution of the energy of single pulses.The single pulse energy is normalized by integral pulse energy.The solid line is a lognormal curve fitting the pulsar energy histogram.The dotted line indicates the normalized energy value of average pulse profiles.

4.2 單個強脈沖分析

通常將脈沖星輻射的單脈沖信號強度大于5倍單脈沖平均輻射流量的信號稱為強脈沖.從本次觀測數據中,共探測到69個S/N大于單脈沖平均S/N(32.4)5倍的強脈沖信號,強脈沖的爆發率為1.8%.其中,大于10倍平均S/N的強脈沖共6個,爆發率為0.016%.其中,最強的單脈沖S/N為495,大約為單脈沖S/N平均值的15.3倍.這些強脈沖星的的脈沖半寬較窄,其W50在0.52–1.04 ms之間.相位分布在279.8°–282.7°之間.為了探究強脈沖輻射與脈沖星輻射窗口的關系,圖6展示了本次觀測得到的69個強單脈沖的S/N-相位分布,與積分脈沖輪廓的關系圖.可以看出強脈沖的峰值相位分布在積分脈沖輪廓的上升沿附近,即積分脈沖輪廓的b區域內,其中最早到達的強單脈沖提前積分脈沖輪廓峰值相位1.5 ms.本次觀測沒有在積分脈沖輪廓的a區域內探測到強脈沖信號.正如本文第2節中指出的,在脈沖輻射前沿區域探測到了1個單脈沖,但它的S/N小于2倍的單脈沖S/N平均值,并不滿足本文的強脈沖定義.

圖6 S/N-相位分布(點)與Vela積分脈沖輪廓輻射范圍的關系圖.實線表示Vela積分脈沖輪廓.橫坐標表示脈沖星相位,左側縱坐標表示單脈沖信噪比,右側縱坐標表示脈沖星流量強度,單位為1.Fig.6 S/N-phase distribution(points)in relation to the radiation range of Vela integral pulse profile.The solid line represents the Vela integral pulse profile.The abscissa represents pulsar phase,the left ordinate represents single pulse signal-noise ratio,and the right ordinate represents pulsar flux intensity,in units of 1.

Palfreyman等人于2016年研究發現[8]Vela脈沖星積分脈沖輪廓形狀會隨著時間緩慢變化,并且在微自轉突變(“microglitch”)之后這種變化會出現不連續性.Palfreyman等[17]指出脈沖星輻射的亮脈沖總是在積分脈沖輪廓的前沿,并且影響積分脈沖輪廓的W10(峰值流量點1/10處的輪廓寬度)和W50值.本文將全部強脈沖折疊獲得的脈沖輪廓與Vela積分脈沖輪廓進行比較,研究強脈沖信號對積分脈沖輪廓的影響.如圖7所示,虛線是本次觀測探測到的69個強單個脈沖折疊輪廓,實線是Vela積分脈沖輪廓.從圖中可以看出,強單脈沖的折疊脈沖輪廓的c和d成分不太明顯,強單脈沖對積分脈沖輪廓的c、d成分是否有貢獻,需要更多的觀測數據驗證.強單脈沖折疊脈沖輪廓的峰值相位提前積分脈沖輪廓峰值相位約0.9 ms.強單脈沖積分脈沖輪廓的W50為0.87 ms,約占積分脈沖輪廓W50(1.9 ms)的45.8%,說明強脈沖的爆發區域較小,從圖6可得到相同結論.強單脈沖平均脈沖輪廓的S/N是213.3,為單脈沖平均S/N的6.2倍.強脈沖會在脈沖相位流量強度和脈沖寬度上對積分脈沖輪廓產生一定的影響,尤其是積分輪廓上升沿區域.

圖7 強脈沖折疊輪廓與Vela積分脈沖輪廓比較,其中,虛線為強脈沖折疊輪廓,實線為Vela積分脈沖輪廓.Fig.7 Comparison between the strong pulse superposition profile and the Vela integral pulse profile,where the dashed line is the strong pulse superposition profile and the solid line is the Vela integral pulse profile.

4.3 雙成分單脈沖分析

脈沖星輻射的單脈沖信號強度、形狀等特性隨時間變化很大,在觀測系統具有高靈敏度和高時間分辨率時,觀測到的單脈沖信號會顯示出精細的微結構成分.有助于進一步理解脈沖星的輻射機制.Vela脈沖星通常輻射的單脈沖信號單一,為單峰結構,導致其積分脈沖輪廓單一,隨著望遠鏡觀測系統時間分辨率的提高,Johnston等[5]首次在1413 MHz頻段下探測到Vela單脈沖的微結構輪廓.本次觀測數據中探測到Vela部分單脈沖具有雙峰結構,文中將雙峰脈沖中脈沖爆發相位靠前的脈沖定義為主峰,相位靠后的脈沖定義為次峰,本文雙峰單脈沖信號具體搜尋方法如下:

(1)根據積分脈沖輪廓找到單脈沖的主脈沖窗口;

(2)用多項式擬合單脈沖的主脈沖窗口;

(3)對次峰脈沖的S/N、W50以及主峰和次峰脈沖的相位間隔設置一定的閾值.

通過對觀測到全部單脈沖信號統計分析得知,本次雙峰搜尋時的相關參數設置為:多項式階數為14,次峰脈沖的S/N閾值為11,W50閾值為10個相位點,主次脈沖峰值成分間隔最少為15個相位點時,篩選出的單脈沖具有明顯的雙峰結構.

在觀測數據中共檢測出23個具有明顯雙峰結構的單脈沖,雙峰單脈沖爆發率較低為0.7%.為了確保是真實的雙峰單脈沖信號,對23個雙峰單脈沖數據的頻率通道進行進一步消干擾處理,以提高脈沖信號的信噪比.圖8給出了23個雙峰單脈沖輪廓圖,圖中虛線指示了積分脈沖輪廓的峰值相位.從圖中可以看出,主峰峰值相位在274°–287°之間,次峰峰值相位在286°–301°之間.從圖8看出,雙峰單脈沖分為兩類:(1)主峰脈沖峰值相位在積分脈沖輪廓峰值相位附近,共22個信號,脈沖編號分別為1–14、16–23.其特點是主峰信號脈沖半寬較寬,次峰輻射強度變化明顯,其中14號雙峰結構單脈沖、次峰脈沖信噪比略高于主峰脈沖,該信號為圖3給出的單脈沖爆發相位統計圖中最右邊的點;(2)次峰脈沖峰值相位在積分脈沖輪廓峰值相位附近,共1個信號,脈沖編號為15.其特點是單脈沖的主峰脈沖信號半寬窄,主峰脈沖相位在278°附近.

將本次觀測中探測到的所有雙峰單脈沖按照周期折疊并將輻射強度歸一化獲得雙峰單脈沖折疊脈沖輪廓,與Vela積分脈沖輪廓進行比較,進而研究雙峰信號對積分脈沖輪廓的影響.結果如圖9所示,虛線表示Vela積分脈沖輪廓,實線表示全部雙峰結構單脈沖折疊的積分脈沖輪廓,從圖中可以看出,兩者的峰值相位大致相同.從圖8得知雙峰單脈沖有一個峰與積分脈沖輪廓峰值相位接近,且22個單脈沖主峰脈沖的峰值相位在積分輪廓峰值相位附近,因此對積分輪廓形狀的前沿附近貢獻較大.雙峰單脈沖折疊脈沖輪廓有3個成分,另兩個分別位于主峰脈沖的前后,這是由于上面提到的雙峰單脈沖的兩種脈沖輪廓結構,導致折疊脈沖輪廓有3個峰值成分.前一個峰值成分出現在積分脈沖輪廓的a區域,主要由第2類雙峰單脈沖的主峰脈沖貢獻.后一個峰值成分出現在積分脈沖輪廓的d區域.該成分主要由第1類雙峰單脈沖信號的次峰脈沖產生.從圖9中的看出,與兩個峰值成分相對應的積分脈沖輪廓相位處的輻射較弱,間接證明雙峰單脈沖的爆發率較低.雙峰單脈沖的折疊輪廓對積分輪廓的兩個邊緣有影響;強脈沖折疊輪廓對積分輪廓的上升沿有影響.Vela脈沖星的雙峰單脈沖是偶爾爆發還是經常爆發以及對積分脈沖輪廓相位輻射區的影響還需要更多的觀測數據驗證.

圖8 Vela的23個雙峰單脈沖輪廓圖.其中虛線表示Vela積分脈沖輪廓峰值相位.Fig.8 The profiles of 23 two-component single pulses of Vela.The dashed line represents the peak phase of the Vela integral pulse profile.

圖9 Vela雙峰單脈沖折疊輪廓與積分脈沖輪廓的比較Fig.9 Comparison between the double peak single pulse folded profile and the integral pulse profile of Vela

5 結論

利用昊平40 m天線對Vela脈沖星的56 min單脈沖觀測數據開展了單脈沖輻射特性研究.觀測數據探測到了Vela爆發的全部單脈沖信號,共計38040個.探測到的信號最低信噪比為6.8.對這些單脈沖的W50、S/N和能量的累積分布等進行了詳細分析.從根據分析結果得知,大多數單脈沖的寬度比積分脈沖輪廓窄.單脈沖能量累積分布擬合曲線與擬合參數值對數正態分布曲線的JS散度為0.06.另外,在Vela脈沖星的亮脈沖輻射區域探測到1個單脈沖信號,它的S/N不滿足本文對強脈沖的定義,我們認為普通單脈沖也可能提前主脈沖到達.本次共探測到了69個S/N大于5倍單脈沖S/N平均值的強單脈沖信號,最強的單脈沖S/N是單脈沖S/N平均值的14.5倍.本次探測到的強脈沖爆發率為1.8%,它們均爆發在Vela積分脈沖輪廓的b成分區域內,沒有在a成分區域中探測到強脈沖.

通過比較Vela標準積分脈沖輪廓和強脈沖的折疊脈沖輪廓研究發現單個強脈沖數量的變化可能會引起積分脈沖輪廓寬度、相位以及輻射流量強度的變化.但是積分脈沖輪廓和強脈沖的積分脈沖輪廓的組成成分是否相同還需要更多的觀測數據來驗證.本次觀測數據共探測到23個雙峰結構單脈沖,根據輪廓結構及主峰爆發相位可分為兩種類型,一類主峰爆發相位處于積分脈沖輪廓峰值附近,另一類次峰爆發相位處于積分脈沖輪廓峰值附近.通過比較雙峰單脈沖折疊輪廓與Vela標準積分脈沖輪廓發現,雙峰折疊輪廓有3個成分,左邊成分主要由第2類雙峰單脈沖的主峰脈沖信號產生,對應積分脈沖輪廓a輻射區,右邊脈沖成分主要由第1類雙峰單脈沖的次峰脈沖信號產生,對應積分脈沖輪廓d輻射區,主脈沖成分在積分輪廓峰值相位附近.根據兩邊成分對應的積分輪廓相位處的輻射強度,可推斷雙峰單脈沖的爆發率較低.Palfreyman等人于2016年研究發現Glitch發生后Vela脈沖星的亮脈沖爆發率會增加,進而影響積分脈沖輪廓形狀[8].Glitch發生時是否會引起雙成分單脈沖數量的增加,進而影響積分脈沖輪廓,需要更多的觀測數據分析研究.